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1、光电子技术实验讲义光电了技术实验实验讲义光信息教研室2012年9月实验一 LD/LED 的 P-I-V 特性曲线测试 - 2 -实验二 光纤数值孔径测量实验 - 8 -实验三 光源调制与解调实验 10实验四 电光调制实验 15实验五 声光调制实验 19实验六、APD特性参数的测量 25实验一 LD/LED的P-I-V特性曲线测试、实验目的1、通过测试LD/LED的功率一电流（P-I ）特性曲线和电压一电流（V-I ）特性曲线，计算阈 值电流（Ith），掌握LED发光二极管和LD半导体激光器的工作特性。、实验内容1、测试LD/LED的功率一电流（P-I ）特性曲线和电压一电流（V-I ）特性曲线

2、。三、 实验仪器1、 LD激光二极管（带尾纤输出， FC型接口） 1 只2、 LED发光二极管 1 只3、 LD/ LED电流源 1 台4、 光功率计 1 台5、 万用表 1 台四、 实验原理激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文 LASER就是 Light Amplification by StimulatedEmission of Radiatio n （受激辐射的光放大）的缩写。1、半导体激光器的结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如下图（

3、 a）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量 Eu和价带顶的能量E之间的能量差Eu El Eg称为禁带宽度或带隙， 不同的半导体材料有不同的带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N型半导体导带被电子占据的几率大， P型半导体价带被空穴占据的几率大。如下图（ b）、（c）所示。图1半导体激光器的电子和空穴分布半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为 0.10.3卩m的窄带隙P型半导体，称为有N层之间形成的是 P-N异质源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的 N

4、型和P型半导体，称为限制层。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的结，而与左侧的P层之间形成的是 P-P异质结，故这种结构又称 N-P-P双异质结构，简称 DH结构。图2半导体激光器的基本结构施加正向偏压后，就能使右侧的 N层向有源层注入电子，左侧的 P层向有源层注入空穴，但由于左侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子 不可能扩散到P层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到 N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在 0.10.3卩m的有源层内，形成了粒子数的反转分布。前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。给半导体激光

5、器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转 分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激 发光子诱发更强的受激辐射。2、半导体激光器的主要特性(1)输出电压特性LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似 的V-I特性曲线，如下图所示：VVt图3激光器输出V-I特性曲线由V-I曲线我们可以计算出 LD/LED总的串联电阻 R和开门电压 Vro(2)输出光功率特性激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流 I的关系曲线，既P I曲线表示。图4 LD/LED的P-I特性曲线在结构上，由于LE

6、D与LD相比没有光学谐振腔。因此， LD和LED的功率电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。 LED的P-I曲线基本上是一条近似的直线。从图 5中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流 Ith，只有在工作电流lflth部分，P-I曲线才近似一根直线。而在 lflth部分，LD输出的光功率几乎为零。给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流 子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带 上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受

7、激辐射，激光器才有激光 （即相干光）输出，这个一定值称为阈值电流。阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值 增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。P Pth If I thhfc为入射光频率，式中If为注入电流，h 6.628 10 34 J S为普朗克常数，8c 3 10 m/s为光速， 为入射光波长，e为电子电量，n D为外微分量子效率，Ith为阈值电流，Pth为阈值功率。根据P-I曲线可以求出激光器的阈值电流 Ith和外微分量子效率n d：将P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜

8、率为Dhfe由曲线求得斜率，可计算n do（3）温度特性激光器输出光功率是随温度而变化的， 有两个原因：一是激光器阈值电流I th随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率n d随温度升高而减小。温度升高时， Ith增大，n d减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动时，阈值电流 Ith随温度的变化更加明显。阈值与温度的近似关系可以表示为：I th(T) lth(Tr)exp(T Tr)仃0】图5 LD温度特性曲线3、ZY-YSLD3125型激光器我们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱 F-P腔激光器LD,内置背景光探测器PD,这种激光器

9、使用时具有下图所示四种型式：图6 LD激光器的四种形式图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。PD-N side dwon的管是探测器PD的负（N与激 光器LD的负（N或正（P）相连，PD-P side dwon的管是探测器 PD的正负（P）与激光器 LD的负（N）或正（P）相连，与激光器 LD的负（N）相连的称为DVD型管，与激光器 LD的正（P）相连的称为 POINT型管。所用ZY-YSLD3125型激光器为 PD-N side dwon的POINT型管，单模光纤同轴封装，带尾纤 FC连接。性能指标如下表所示参数符号测试条件最小值典型值最大值单位额定功率PoutIop=Ith+200.2一

10、1mW中心波长入CW129013101330nm光谱宽度入CW一25nm阈值电流IthCW一1015mA工作电流lopCW一Ith+20一mA探测器电流ImCW100一一A探测器暗电流IdCW一一0.1nA表中CW表示连续。管脚图如下图7 LD引脚说明：1.激光器正&管壳；2.激光器负；3.探测器负；4.探测器正。4、ZY-YSLED3215型 LED发光二极管ZY-YSLED3215型 LED发光二极管的性能指标如下表所示：参数符号测试条件最小值典型值最大值单位额定功率PoutI f =60mA10一一1 W中心波长入CW128013101350nm光谱宽度入CW一一170nm工作电压Vop

11、CW一1.21.7V上升下降时间Tr/TfCW一一3ns管脚说明如下:图8 LED引脚说明：1.管壳；2.LED负；3.LED正5、ZY606 型 LD/ LED 电流源本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于 650nm 780nm 808nm 850nm 980nm 1310nm 1550nm等各种中小功率 LD的电流测试及老化测试。设备内部带 APC（Automatic Power Control）电路及ACC（Automatic Current Control） 电路，可以实现以下三种功能： 1） LD电源； 2）lop及Im电流测试；3）LD恒功老化及恒流老化。134图9仪器

12、前面板操作说明1） 本机只能对 PD-N side down 器，否则会损坏激光器。2） 本机的一大特色是设备内部带的LD进行测量，不能用来测量 PD-P side down安装的激光APC （Automatic Power Control ）电路，这种电路是 LD 在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路。 因此，一只LD在本机上所表现的直流特性， 将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对 LD进行寿命及稳定性考核。从而反映出 LD在应用产品（如光通信模块、 DVD激光头等）中工作时的稳定性。没有 APC电路的设备，则不能实现上述功能。 操作步骤1）通电之前

13、，确保“粗调” “细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏 LD。2）确认LD或LED已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD或LED尚未发光。3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮， LD射出激光。改调“细调”旋钮，可将 LD输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量 LD的输出功率）。 通过Iop显示窗口可以读出输出电流值， 通过Im显示窗口可以读出探测电流值。 注意：LED内部 没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效， Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗

14、调”旋钮即可，通过 Iop显示窗口可以读出输出电流值。5）恒功老化：将被测 LD调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定） ，并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后工作电流的变化量， 从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。6）恒流老化：将被测 LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定） ，并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量， 从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。五、实验步骤1、按图10所示线路连接LD或LED其引脚说明见图 7和图8。本实验没有采用积分球，可 直接将LD或LED与光功率计连接，将 LD或LED在暗室内放入光功率计的接口处图10连接框图2

15、、通电之前，确保“粗调”、“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏 LD。实验中用到的LD是POINTER管，电流源要选择使用 POINTER当位。开启LD的驱动电源，缓慢调节 电流旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试 LD两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录 LD的电压值和光功率值。绘制 LD的P-I曲线和V-I曲线。l(mA)0369121518u（v）P(uW)表14、开启LED的驱动电源（恒流档测量），缓慢调节“粗调”旋纽逐渐增加工作电流，并用万 用表测试LED两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录LED的电压值和光功率值。 绘制LED的P-I 曲线和V-I曲线。I(mA)010

16、2030405060U(V)P(uW)表2六、思考题1、 串联电阻R对于LD/LED的应用性能有何影响?2、 为什么LD/LED的输出特性有较大差异？实验二 光纤数值孔径测量实验一、 实验目的1、 熟悉光纤数值孔径的定义和物理意义；2、 掌握测量光纤数值孔径的方法。二、 实验内容1、测量光纤数值孔径（强度数值孔径） 。三、 实验仪器1、ZY12226B型光纤数值孔径测试实验仪 1 套四、 实验原理1、 光纤的几何构造一般裸光纤具有纤心，包层及敷层（外套）的三层结构，芯和包层由硅玻璃组成，典型单模 光纤的芯径为4-8卩m多模光纤为 50-100m几何形状为圆对称，包层直径一般达百微米 以上，敷层

17、是一个保护外套，直径一般达百微米或几百微米，由塑料制成，也有用极薄的清漆或丙烯酸制作。本实验用的光纤为塑料光纤， 纤芯的直径为1mm保护外套直径为约 2.2mm。2、 光纤的数值孔径假设光线以入射角 进入纤芯，如果纤芯的折射率 ncore比包层折射率nadding稍大，则进入crit，应有纤芯的光线在纤芯与包层界面上有可能发生全反射，设这个临界角为设数值孔径角 c，由Snells定理因此NA ni sin max这与上式同义，故有NA . ncore Hcl定义分数折射率差弱导时有 1ncore ：F 2此即为弱导近似下，阶跃型光纤数值孔径理论公式。以上是对于理论而言，实际测量的是有效数值孔径

18、，有效数值孔径分强度数值孔径和功率数值孔径：强度数值孔径：用实验的方法测出光纤远场中角强度的分布， 把5%t大强度所对应的半角正弦做为强度数值孔径 NA。功率数值孔径：用实验的方法测出光纤出射光锥总功率 90%所对应的半角正弦，称功率数值孔径NA强度数值孔径测量示意图如图 1所示：图1强度数值孔径测量示意图五、 实验步骤1、 本实验装置的旋转调节台的细调角度为 0-35,先顺时针旋转旋转调节至底部，然后逆 时针约5，此时使用旋转粗调，调整发射与接收光纤的对准位置，目测使其准直。2、 按照实验一的步骤准直装置组件，驱动电流调至 5mA发射与接受光纤之间的间距调至6mm3、 记录此时最大的输出电压

19、 V1和旋转台上的标注的角度值 1,计算最大输出电压的 5%所对应的最小输出电压 V2。4、 逆时针调节旋转调节旋钮，不断观察输出显示电压，当输出电压达到最小输出电压的时 候停止调节。5、 读取旋转调节架上的角度读数 2,计算孔径角0 =02 -1,计算光纤数值孔径 NA=sin B。6、 重复步骤1、2、3，顺时针调节旋转调节旋钮， 每0.5。记录一组数据（角度和输出电压）， 绘制角度与输出电压的关系曲线。7、 恒流驱动调至最小，关闭电源，还原实验装置。六、 思考题1 、本实验中影响光纤数值孔径测量精度的因素主要有哪些?实验三光源调制与解调实验一、实验目的1、 了解光源调制及其解调的原理2、

20、 了解光源调制及其解调的实现方法二、 实验内容1、 幅度调制解调实验2、 脉冲调制解调实验3、 光音频调制解调实验台台若干根三、 实验仪器1、光源及光调制解调实验仪2、 20M双踪示波器3、 连接导线4、 电源线四、实验原理1、调制的基本概念调制就是使载波的某一参量（例如其幅度、频率、相位等）按欲传输信号规律变化的过程。 调制不仅可以使光信号携带信息， 从而具有与背景辐射不同的特征， 便于抑制背景光的干扰， 而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰。 因此采用调制的光电系统在信号的传输和探测过程中，具有更高的探测能力。光波的调制形式很多，可以分为三类：模拟调制、脉冲调制和数字调制。

21、 在模拟调制形式中，信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振，因此在任何时刻，信息信号的 幅度与波参数的幅度之间都有一一对应的关系。 模拟调制包括调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种方式。其中调频和调相又称为调角， 如图1所示；调频（或调角）系统比调幅系统有较高的抗干扰能力。在调频系统中，噪声叠加在信号幅度上， 可以通过限幅去削掉一部分噪声而不影响信息的检出。但是调幅系统实现起来相对简单一些。图1模拟调制图2脉冲调制脉冲调制和数字调制则是对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲序列作载波。如图2所示，在脉冲调制中，脉冲序列的某一参量随低频调制信号的变化而变化。 脉冲调制主要有脉

22、冲调幅（PAM）、脉冲调宽（PWM、脉冲调频（PFM）和脉冲调位（脉冲调相或脉冲时 间调制PPM等形式。数字调制本实验不做讨论。2、解调的基本概念解调就是将调制后的信号还原。本实验仪通过光电探测器接收调制光信号， 然后通过放大处理电路将调制之后的信号还原。锁相环解调原理：锁相环芯片使用 LM567（其它型号有NE567、JRC567等）。LM567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关， 电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设 定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚

23、音频 译码，遥控等。其内部电路如图3。图3 LM567内部原理图4为红外接收解调控制电路。 图中，IC2是LM567。LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。其、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 f2 ,f2疋1/1.1RC。其、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通 滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大， 环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的 2倍。脚是输入端，要求输入信号 25mV脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管， 允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.759V,工作频率从直流到 500

24、kHz，静态工作电流约 8mA。LM567的内部电路及详细 工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当 LM567的脚输入幅度25mV频率在其带宽内的信号时， 脚由高电平变成低电平， 脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信 号。在图4的电路中我们仅利用了 LM567接收到相同频率的载波信号后脚电压由高变 低这一特性，来形成对控制对象的控制。14Y* gYIGI n+f-I：2-S.* -rc 去7,!L i上图4红外接收解调控制电路五、实验步骤注意事项1、 不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常

25、工作。2、 在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。 实验仪介绍(1)面板各功能模块介绍麦克风放大电路：麦克风接入音频插孔，通过麦克风产生音频信号经过放大电路后由 T9孔输出，输出信号可通过实验仪配套连接线引出。输出音频信号大小可以通过该电路模 块的音量调节钮控制。(2)音频放大电路：T20孔输入音频信号，经过放大后直接驱动扬声器发声。音量大 小可以通过该模块音量调节旋钮控制。(3) 波形发生电路：该模块电路用来产生方波和正弦波信号，分别通过 T1和T2对应输出，TP1和TP2用来接示波器观测对应输出波形， GND接示波器地。调节频率调节旋钮可以调整输出信号频率。J2上黑色

26、短路块用来选择输出频率范围：从上之下共三档，范围分 另惺 1-IOOHz，10-IKHz, 50-8KHZ。(4)脉冲调制电路：该电路用于将波形发生电路输出的方波信号调制成红外光信号，通过 TPP 测量其波形。(5)幅度调制电路：该电路用于将波形发生电路输出的正弦波信号和麦克风放大电路输出的音频信号调制成红外光信号输出。通过 TPA测量其波形。(6) 放大电路：该电路将光接收输出信号进行放大。通过 TP_PD可测量放大器输入信 号，TP3用来观测对应输出波形。该电路调节旋钮用来调整放大增益。(7)判决电路：由于方波信号经过调制解调后信号出现畸变，通过该电路可以将发生畸变的方波信号23整形还原成

27、方波信号。T15为信号输入端，T16为信号输出端，TP4用来 观测对应输出信号。该电路调节旋钮用来调节判决电平。(8)锁相环电路：该电路输入方波信号，当输入方波信号与锁相环中心频率一致时，T19孔输出高低电平控制信号。该电路调节旋钮用来调整锁相环中信频率， TP6用来观测中心频率信号。TP5用来观测锁相环输出信号。(9)信号指示电路：当 T17孔输入高低电平时，对应发光二极管发光或者熄灭。(10) 光发射和光接收。光发射通过 5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过 5芯屏蔽 线与HK_2相连。（11）电源模块：可以提供 +5V/0.5A、-5V/0.5A 和 +12V/0.5A、-12V/0.

28、5A 电源。1 ）波形产生实验1、 打开实验仪电源开关，用示波器探头同时观测 TP1 （对应方波信号）和 TP2 （对应 正弦波信号） 。2、 J2 短路块短接 J2 最上面两个引脚，调节频率调节旋钮，观测输出信号频率变化 范围。3、 关闭电源开关。4、 J2 短路块短接 J2 中间两个引脚，重复步骤 1、 2、 3。5、 J2 短路块短接 J2 最下面两个引脚，重复步骤 1 、 2、 3。2） 幅度调制解调实验1 、将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。2、 波形发生电路正弦波输出端 T2孔用导线连接至幅度调制模块的信号输入端 T6孔。3、 光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过

29、5芯屏蔽线与HK_2相连。4、 打开电源，用示波器同时观察 TP2 （正弦波信号）和 TP3 （放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号（ TP3）效果最好为止。5、 对比调制之前的正弦波信号和解调放大之后的正弦波信号并分析。6、 挡住光路，对比调制之前的正弦波信号和解调放大之后的正弦波信号并分析。7、 关闭电源。拆除所有连线。3） 脉冲调制解调实验1、 将光发射模块上的开关拨到脉冲调制一端。2、 波形发生电路方波输出端 T1孔用导线连接至脉冲调制模块的信号输入端 T3孔。3、 光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过 5芯屏蔽线与HK_2相连。4、 打开电源，用示波器观察 TP3 （放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放 大倍数，直至输出信号效果最好为止。关闭电源。5、 放大电路输出端 T14通过导线连接至判决电路输入端 T15,用示波器观察TP4（判决 电路输出信号） 。打开电源，调节判决电路旋钮，直至输出占空比大约 50%的方波。关闭电 源。6、 判决电路输出端 T1 6通过导线连接至信号指示电路输入端 T17。7、 打开电源，将