半導(dǎo)體激光器P―I特性曲線的繪制

1、20'0D.81.62 4電ffi/ V806D40融光器祖動電眾圖2-1激光器的功率特性圖2-2激光器的伏安特性實驗二半導(dǎo)體激光器PI特性曲線的繪制一、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理。2、了解半導(dǎo)體激光器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特性曲線的測試及繪制方法。二、實驗內(nèi)容測量半導(dǎo)體激光器的輸出光功率和注入電流，并畫出P-I關(guān)系曲線。三、實驗原理半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系如圖2-1所示，該特性有一個轉(zhuǎn)折點,相應(yīng)的驅(qū)動電流稱為門限電流（或稱閾值電流），用Ith表示。在閾值電流以下，激光器工作于自發(fā)發(fā)射，輸出熒光，光功率很小。在門限電流以上，

2、激光器工作于受激發(fā)射，輸 出激光，光功率隨驅(qū)動電流迅速上升，基本成線性關(guān)系；激光器的電流與電壓的關(guān)系類 似于正向二極管的特性，如圖2-2所示。，一十no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g，光介質(zhì)的平均損耗系數(shù)為a，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：(2-1)式中L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)（0<rl<1;0<r2<1）。門限狀態(tài)下的增益系數(shù)為gh為：(2-2)式中Jth為門限狀態(tài)下注入有

3、源區(qū)的電流密度，丁為平均增益因子，其值取決于激光器的材料與結(jié)構(gòu)，從電流密度Jth按下式可決定門限電流Ith為：(2-3 )Ah = EbLJ&式中b為有源區(qū)寬度，E >1為電流側(cè)向擴展因子，可使E接近1,故能獲得小的門限 電流。激光器功率特性的線性程度對模擬光纖傳輸系統(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（垂直發(fā)散角為30 50 °,水平發(fā) 散角為030°

4、），與單模光纖的耦合效率高（約30%50%），輻射光譜線窄，適用于高 比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進行高速（>20GHz）直接調(diào)制。對于線性度良好的半導(dǎo)體激光器，輸出功率可以表示為：(2-4 )P嚴埶（i）其中70（2-5）在高于閾值區(qū)% + 曲這里的量子效率n int ,表征注入電子通過受激輻射轉(zhuǎn)化為光子的比例。 域，大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的n int接近1。式（2-4 ）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|>| th時，輸出功率與I成線性關(guān)系，其增大的速率即 P-I曲線的斜率，稱為 斜率效率(2-6)dPe _ h dI 2qP-I特性是選

5、擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時，應(yīng)選擇閾值電流Ith盡可能小，Ith對應(yīng)P值小，而且沒有扭折點的半導(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)生光信號失真。同時要求P-I曲線的斜率適當(dāng)，斜率太小，則要求驅(qū)動信號太大，給驅(qū)動電路帶來麻煩；斜率太大，則會出現(xiàn)光反射噪聲，使自動 光功率控制環(huán)節(jié)調(diào)整困難。半導(dǎo)體激光器具有高功率密度和極高量子效率的特點，微小 的電流變化會導(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制，也即激活介質(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)

6、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，其輸出光為非相干的熒光，類似于LED發(fā)光，當(dāng)輸入電流大于 Ith時，則輸出光為激光，且輸入電流和輸出光功率成線性關(guān)系，該實驗就是對該線性關(guān)系進行測量，以驗證P-I的線性關(guān)系。四、實驗儀器雙通道示波器，光纖通信實驗儀，光功率計，光跳線，萬用表。五、實驗步驟（以下實驗步驟以1310 nm光端機部分講解，即實驗儀左邊的模塊；1550nm光端機部分與 其相同。）1、 關(guān)閉實驗儀電源，用導(dǎo)線連接“模擬信號源”的正弦波輸出端口和“1310 nm光發(fā)送模塊”的模擬信號輸入端口P203。2、 將光發(fā)送模塊中

7、的激光器注入電流調(diào)節(jié)電位器R277逆時針旋轉(zhuǎn)到頭（即箭頭最小端），將輸入模擬信號衰減調(diào)節(jié)電位器R258逆時針旋轉(zhuǎn)到頭（即箭頭最小端），使驅(qū)動電流和輸入信號都處于最小值。3、 將單刀雙擲開關(guān) S200撥向模擬傳輸方向（右邊），撥出電路中的跳線帽（J200）， 使其處于斷開狀態(tài)，在兩測量掛片（NS201、NS2O0的中間串接一塊電流表。4、將光發(fā)送模塊中的 TX端口用光跳線與光功率計端口相接，連接時將光纖小心地 插入光功率計的連接端口，連接時保證光跳線連接處的凸起部分與光功率計端口 的凹槽部分完全吻合，擰緊固定帽。5、 接通實驗儀電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電位器R258到適當(dāng)位置（一般為中間位置），送入穩(wěn)定的模擬信號，慢慢調(diào)節(jié)電位器R277,讀取所測得的電流值及對應(yīng)的光功率值，填入表2-1中。6、實驗結(jié)束后關(guān)掉各電源開關(guān)，拆下