半导体激光器P-I 特性测试实验

实验八半导体激光器P-I 特性测试实验
一、实验目的
1、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
2、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
3、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
二、实验内容
1、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
2、根据P－I 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率
三、实验仪器
1、光纤通信原理I 型实验系统1 台
2、FC 接口光功率计1 台
3、FC-FC 单模光跳线1 根
4、万用表1 台
5、连接导线20 根
四、实验原理
光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。

性能好、寿命长、
使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低
损耗窗口之内，要求材料色散较小。

其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。

第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10 万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。

第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。

第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。

第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。

第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。

作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD，又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。

但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。

本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。

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，是一种阈值器件。

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，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。

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（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。

半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf 等。

除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。

阈值电流是非常重要的特性参数。

图8-1 上A 段与B 段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流Ith。

半导体激光器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。

P-I 特性是半导体激光器的最重要的特性。

当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到Ith 之前半导体激光器输出荧光，到达Ith 之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式8-1。

ΔP/ΔI 就是图8-1 激射时的斜率，h是普朗克常数（6.625*10-34 焦耳/秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。

图8-1 LD 半导体激光器P-I曲线示意图
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Ith 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（测试方法见实验十二）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。

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。

其典型参数如下表8-1：
电路中的驱动电流在数值上等于R973两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R973 的精确值将BM901、BM902都拨到中档，用万用表的欧姆档测T904、T905 之间的电阻)，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。

五、实验步骤
1、用导线连接中央控制器M 和T903(13_DIN)。

2、将开关BM901 拨为1310nm，将开关K902 拨为“数字”，将电位器W901 逆时针旋转到最小。

3、旋开光发端机光纤输出端口防尘帽，用FC-FC 光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到1310nm 档。

4、用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)之间的电阻值（电阻焊接在PCB 板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR973）。

5、将电位器W907（阈值电流调节）逆时针旋转到底。

6、打开交流电源。

7、用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905）。

8、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），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1-2，精确到0.1uW。

9、做完实验后先关闭交流电开关。

10、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。

六、实验测试点说明
T904（T_V+）、T905（T_V-）激光器的数字驱动电流测试端
TP901（LT）激光器的输出信号测试端
七、实验报告
1、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。

2、根据所画的P-I 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流I(th)的大小。

3、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。

4、实验结果及误差分析正确。

八、思考题
1、试说明半导体激光器发光工作原理。

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子束反转，产生受激辐射，在利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。

2、环境温度的改变对半导体激光器P-I 特性有何影响？
半导体激光器具有半导体普遍的特性，也包括温度特性。

温度升高，同样的电流下，半导体激光器波长变长，输出功率也会降低。

温度下降，趋势相反。

3、分析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。

当注入电流较小时，激活器不能实现粒子束反转，自发辐射占主导地位，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，不能再腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。

只当注入电流大于阈值电流是才能产生功率很强的激光。