P-I特性曲線繪制實(shí)驗(yàn)

1、. P-I特性曲線繪制實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 學(xué)習(xí)半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理2、 了解半導(dǎo)體激光器平均輸出光功率與注入電流的關(guān)系3、 掌握半導(dǎo)體激光器P-I曲線的測試及繪制方法二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測量半導(dǎo)體激光器功率和注入電流，并畫出P-I關(guān)系曲線。三、 實(shí)驗(yàn)儀器示波器, RC-GT-(+)型光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，光功率計(jì)，萬用表。四、 基本原理1、 半導(dǎo)體激光器的功率特性及伏安特性 圖1 激光器的功率特性 圖2 激光器的伏安特性半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系如圖1所示，該特性有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流稱為門限電流(或稱閾值電流)，用Ith表示。在門限電流以下，激光器工作于自發(fā)發(fā)射，輸出熒光功率

2、很小，通常小于100puW；在門限電流以上，激光器工作于受激發(fā)射，輸出激光，功率隨電流迅速上升，基本上成直線關(guān)系。激光器的電流與電壓的關(guān)系相似于正向二極管的特性，如圖8-2所示，但由于雙異質(zhì)結(jié)包含兩個(gè)PN結(jié)，所以在正常工作電流下激光器兩極間的電壓約為1.2V。 閾值條件就是光諧振腔中維持光振蕩的條件。設(shè)受激發(fā)射所產(chǎn)生的光介質(zhì)的平均增益系數(shù)(單位長度上的增益)為，光介質(zhì)的平均損耗系數(shù)為，則光諧振腔產(chǎn)生和維持光振蕩的條件為光子在光諧振腔中來回反射一次所產(chǎn)生的光能增益大于或等于光能的損耗，用公式表示為 (1)式中上為光諧振腔的長度，r1，r2分別為光諧振腔兩端鏡面的反射系數(shù)(O<rl<1

3、;O<r2<1)。從式(1)解得門限狀態(tài)下的增益系數(shù)為（2）Ith為門限狀態(tài)下注入有源區(qū)的電流密度。為平均增益因子，其值取決于激光器的材料與結(jié)構(gòu)。從電流密度Ith按下式可決定門限電流Ith式中b為有源區(qū)寬度，>1為電流側(cè)向擴(kuò)展因子。采用BH，DCPBH和RWG激光器結(jié)構(gòu)，可使接近于1，故能獲得小的門限電流。激光器功率特性的線性程度對(duì)模擬光纖傳輸系統(tǒng)的非線性失真指標(biāo)影響很大。半導(dǎo)體激光二極管(LD)或簡稱半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管LED不同，它通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。由于受激輻射與自發(fā)輻射的本質(zhì)不同，導(dǎo)致了半導(dǎo)體激光器不僅能產(chǎn)生高功率(10mW)輻射，而且輸出光發(fā)散角窄

4、(垂直發(fā)散角為3050°，水平發(fā)散角為030°)，與單模光纖的耦合效率高(約3050)，輻射光譜線窄(A入=011,0nm)，適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速(>20GHz)直接調(diào)制，非常適合于作高速k距離光纖通信系統(tǒng)的光源。 對(duì)于線性度良好的半導(dǎo)體激光器，輸出功率可以表示為（3）其中 （4）這里的量子效率in(，表征注入電子通過受激輻射轉(zhuǎn)化為光子的比例。在高于閾值區(qū)域，大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的int近于1。（3）式表明，激光輸出功率決定于內(nèi)量子效率和光腔損耗，并隨著電流而增大，當(dāng)注入電流I>Ith時(shí)，輸出功率與I成線性關(guān)系。其增大的速率即P-I曲線的

5、斜率，稱為斜率效率（1-5） P-I特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時(shí)，應(yīng)選閾值電流Ith盡可能小， Ith對(duì)應(yīng)P值小，而且沒有扭折點(diǎn)的半導(dǎo)體激光器，這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產(chǎn)生光信號(hào)失真。且要求P-I曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小，則要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)太大，給驅(qū)動(dòng)電路帶來麻煩：斜率太大，則會(huì)出現(xiàn)光反射噪聲及使自動(dòng)光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。圖3 LD半導(dǎo)體激光器P-I曲線示意圖半導(dǎo)體激光器具有高功率密度和極高量子效率的特點(diǎn)，微小的電流變化會(huì)導(dǎo)致光功率輸出變化，是光纖通信中最重要的一種光源，激光二極管可以看作為一種光學(xué)振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放大機(jī)制，也即激

6、活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標(biāo)定閾值條件，也即閾值電流Ith，當(dāng)輸入電流小于Ith時(shí)，其輸出光為非相干的熒光，類似于LED發(fā)出光，當(dāng)電流大于Ith時(shí)，則輸出光為激光，且輸入電流和輸出光功率成線性關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)就是對(duì)該線性關(guān)系進(jìn)行測量，以驗(yàn)證P-I的線性關(guān)系在實(shí)驗(yàn)中所用到半導(dǎo)體激光器其輸出波長為1310nm，帶尾纖及FC型接口。實(shí)驗(yàn)中半導(dǎo)體激光器電流的確定通過測量串聯(lián)在電路中的R516上電壓值。由于R516=1Q，電路中的驅(qū)動(dòng)電流在數(shù)值上等于R516兩端電壓。五、 實(shí)驗(yàn)步驟（以下實(shí)驗(yàn)步驟以1310nm光端機(jī)部分講

7、解，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。1550nm光端機(jī)部分與其相同）1、電路部分操作：1) 關(guān)閉系統(tǒng)電源。2) 將光發(fā)送模塊中的激光器注入電流可調(diào)電阻R277逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到頭（即箭頭最小端），將輸入模擬信號(hào)衰減調(diào)節(jié)電阻R258逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到頭（即箭頭最小端），使模擬驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到最小值及輸入信號(hào)達(dá)到最小值。3) 將單刀雙擲開關(guān)S200撥向模擬傳輸方向（右邊），短接跳線J200。2、光路部分操作：1) 將跳線帽（J200）撥出，使其處于斷開狀態(tài)，在測量掛片（NS201、NS200）上串接上一電流表。2) 在1310nm TX端用光跳線連接到光功率計(jì)，同時(shí)打開光功率計(jì)電源開關(guān)。（注意操作要小心）3、打開交流電源開關(guān)。4、 慢慢調(diào)節(jié)電位器R277使所測得的電流為下表中數(shù)值，依次測量對(duì)應(yīng)的光功率值。并將測得的數(shù)據(jù)填入下表。序號(hào)12345678910111213141516I（mA）P（uW）P（dBm）6、 做完實(shí)驗(yàn)后關(guān)掉