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。
PPthIfIth
hf
c
—为入射光频率，
式中If为注入电流，h6.6281034JS为普朗克常数，
8
c310m/s为光速，为入射光波长，e为电子电量，nD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nd：
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；曲线线性部分的斜率为
Dhf
e
由曲线求得斜率，可计算ndo
（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Ith随温度升高而增
大，二是激光器外微分量子效率nd随温度升高而减小。
温度升高时，Ith增大，nd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：
Ith（T）lth（Tr）exp[（TTr）仃0】
图5LD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,这种激光器使用时具有下图所示四种型式：
图6LD激光器的四种形式
图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。
PD-Nsidedwon
的管是探测器PD的负（N与激光器LD的负（N或正（P）相连，PD-Psidedwon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-Nsidedwon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
Pout
Iop=Ith+2
0
0.2
一
1
mW
中心波长
入
CW
1290
1310
1330
nm
光谱宽度
△入
CW
一
2
5
nm
阈值电流
Ith
CW
一
10
15
mA
工作电流
lop
CW
一
Ith+20
一
mA
探测器电流
Im
CW
100
一
一
A
探测器暗电流
Id
CW
一
一
0.1
nA
表中CW表示连续。
管脚图如下
图7LD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
Pout
If=60mA
10
一
一
1W
中心波长
入
CW
1280
1310
1350
nm
光谱宽度
△入
CW
一
一
170
nm
工作电压
Vop
CW
一
1.2
1.7
V
上升下降时间
Tr/T
f
CW
一
一
3
ns
管脚说明如下:
图8LED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650nm780nm808nm850nm980nm1310nm1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。
设备内部带APC（AutomaticPowerControl）电路及ACC（AutomaticCurrentControl）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。
1
3
4
图9仪器前面板
操作说明
1）本机只能对PD-Nsidedown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-Psidedown安装的激光
APC（AutomaticPowerControl）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，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、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）
0
3
6
9
12
15
18
u（v）
P（uW）
表1
4、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）
0
10
20
30
40
50
60
U（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n^adding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
NAnisinmax
这与上式同义，故有
NA..ncoreHcl
定义分数折射率差
弱导时有1
ncore：
F2
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，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
6mm
3、记录此时最大的输出电压V1和旋转台上的标注的角度值①1,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①2,计算孔径角0=02-①1,计算光纤数值孔径NA=sinB。
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、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。
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，对讲机亚音频译码，遥控等。
其内部电路如图3。
图3LM567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⑤、⑥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①、②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。
②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。
①脚所接
电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端，要求输入信号》25mV⑧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4.75〜9V,工作频率从直流到500kHz，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③脚输入幅度》25mV频
率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；
如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②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⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。
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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/0.5A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T16通过导线连接至信号指示电路输入端T17。
7、打开电源，将
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