半導(dǎo)體激光器P―I特性曲線的繪制

1、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，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

2、管的特性，如圖2-2所示。圖2-1 激光器的功率特性 圖2-2 激光器的伏安特性 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： (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)(O<rl<1;O<r2<1)。門限狀態(tài)下的增益系數(shù)為為： （2-2）式中Jth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Jth

3、按下式可決定門限電流Ith 為： （2-3）式中b為有源區(qū)寬度，>1為電流側(cè)向擴展因子,可使接近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，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

4、。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）其中 （2-5）這里的量子效率int，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I>Ith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）P-I特性是選擇半導(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

5、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)凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標定閾值條件，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)

6、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。圖2-3 LD半導(dǎo)體激光器P-I曲線示意圖四、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1310nm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“1310nm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、NS200）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)，拆下導(dǎo)線、光