光纤通信实验

光纤通信原理硬件实验·报告 中南大学·信息科学与工程学院 （硬件实验） [《光纤通信原理》课程实验报告] 实验名称：[《光纤通信原理》硬件实验 ] 专业班级：[ ] 学生姓名：[ ] 学 号：[ ] 指导教师：[ ] 完成时间：[ ] 光纤通信原理硬件实验·报告

中南大学·信息科学与工程学院 1 《光纤通信原理》实验报告 实验室名称：半导体激光器P-I特性测试实验 实验日期： .2013年 04 月15日

学 院 信息科学与工程学院 专业、班级 姓 名

实验名称 实验一⑴ 半导体激光器P-I特性测试实验 指 导 教 师

教师评语 教师签名：

年 月 日 实验目的： ⒈ 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 ⒉ 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 ⒊ 掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法 实验内容： ⒈ 测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。 ⒉ 根据P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流。 实验器材： ⒈ 光纤通信原理实验箱 1台 ⒉ 光功率计 1台 ⒊ FC/PC-FC/PC单模光跳线 1根 ⒋ 万用表 1台 ⒌ 连接导线 20根 实验原理： 半导体激光二极管（LD）简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化 光纤通信原理硬件实验·报告 中南大学·信息科学与工程学院 2 会导致光功率输出较大变化，是光纤通信中最重要的一种光源；它可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。该实验就是对该线性关系进行测量，以测试半导体激光器的P-I线性关系。在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。 半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传输数据的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。

实验步骤： ⒈ 将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。 ⒉ ⑴ 拨动双刀三掷开关BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。 ⑵ 用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝I×R110）。 ⒊ 拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310nm。 ⒋ 旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）防尘帽，用FC-FC光跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来。 ⒌ 连接导线：将T502与T101连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，10101010（推荐码型“1”与“0”个数相等，这样做的目的是将平均偏置电流调制到“0”与“1”的中间。其他码型也可，但应尽可能将“0”与“1”的个数接近）。 ⒍ 连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。 ⒎ 用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。 ⒏ 慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。 ⒐ 做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。 ⒑ 拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。 ⒒ 将各仪器设备摆放整齐。 光纤通信原理硬件实验·报告 中南大学·信息科学与工程学院 3 实验过程原始记录（数据、图表、波形等）：

图1-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图 U(mV) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 I(mA) P(uW) U(mV) 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 I(mA) P(uW) 光纤通信原理硬件实验·报告

中南大学·信息科学与工程学院 4 实验结果及分析： 通过本实验，学习了解半导体激光器发光原理和激光光源工作原理，掌握了半导体激光器P-I曲线的测试方法。1. 半导体激光器工作原理是：激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射 2. 环境温度的改变对半导体激光器P-I特性的影响：随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。 3. 以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响是：当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。，激光器发射普通的荧光。随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。只有当注入电流大于阈值电流时才能产生功率很强的激光。 光纤通信原理硬件实验·报告

中南大学·信息科学与工程学院 5 《光纤通信原理》实验报告 实验室名称：光电检测器特性实验 实验日期： .2013年 04 月15日 学 院 信息科学与工程学院 专业、班级 姓 名

实验名称 实验一⑵ 光电检测器特性实验 指 导 教 师

教师评语 教师签名：

年 月 日 实验目的： ⒈ 学习光电检测器响应度及量子效率的概念； ⒉ 掌握光电检测器响应度的测试方法； ⒊ 了解光电检测器响应度对光纤通信系统的影响。 实验内容： 1. 测试1310nm检测器I-P特性； ⒉ 根据I-P特性曲线，得出各检测器的响应度并计算其量子效率。 实验器材： ⒈ ZYE4301G型光纤通信原理实验箱 1台 ⒉ 光功率计 1台 ⒊ FC/PC-FC/PC单模光跳线 1根 ⒋ 万用表 1台 ⒌ 连接导线 20根 实验原理： 在光纤通信工程中，光检测器（ptotodetector），又称光电探测器或光检波器，其作用原理是将入射光转化为电流或电压，以光子-电子的能量转换形式完成光的检测的过程。 最简单的光检测器就是p-n结，但它存在许多缺点，光纤通信系统中，较多采用p-i-n光电二极管（简称PIN管）及雪崩光电二极管（APD管），都是实现光电转换的半导体器件。 在给定波长的光照射下，光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。简言之，即输入单位的光功率产生的平均输出电流，R的单位为A/W或uA/uW。其表达式为： R＝IP/P （1-1）

响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为hυ的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量： 光纤通信原理硬件实验·报告 中南大学·信息科学与工程学院 6 hvPeP//I＝入射到器件上的光子数对数通过结区的光生载流子（×100％）

（1-2） 上式中，e是电子电荷，υ为光的频率。通过测试IP与P的关系，即可计算获得检测器的量子效率，其中光电检测器的量子效率与响应度的关系为：

24.1R

（1-3） 在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流，即可获得检测器的响应度及量子效率的大小，从而了解检测器的性能指标。本实验目的就是通过测试1310nm收端机检测器的响应度，了解不同检测器响应度的差异。 实验箱中，使用的检测器为PIN光电二极管，用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率，然后再测试得到光收端机检测得到的响应电流，改变光发端机输出功率，作检测器端的I-P特性曲线，曲线斜率即为特定波长下的响应度。响应电流的测定是通过运放，将检测器的电流信号，放大成电压信号后得到的，检测电压点为T123，即此测试点与接地点之间的电压V。其放大系数为10000倍，即检测电流 I＝V/10000 （1-4）

实验步骤： ⒈ PCM编译码模块T661与CPLD下载模块983连接，T980与1310nm光发模块输入端T101连接（通过CPLD模块产生一个4M的伪随机码，送入光发模块）。 ⒉ 用FC-FC光跳线将1310nmT光发端与1310R光收端连接。拨码开关BM1、BM2、BM3分别拨为：数字、1310nm和1310nm，并且将跳线帽K121接1,2脚（K121接到上面，检测器的响应电流就转化为电压信号，通过T123表现出来；同时不可带电拔插光电器件，以免激光不小心入眼或者射到皮肤上面）。 ⒊ 接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。 ⒋ 接通PCM编译码模块（K60）、CPLD模块（K90）和光发模块(K10)的直流电源。 ⒌ 用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流，使之为30mA，用万用表测试T123与电源模块中的地之间电压V，填入下表中，将1310nm光收端机端光纤取出，测试此时光功率并填入对应表格中。 ⒍ 调节W101，减小驱动电流为下表中的数值，测试T123与地之间的电压，取出光纤测试光功率，填入对应表格中。