P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。
在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验二）大，而且不易产生光信号失真。
并且要求P-I曲线的斜率适当。
斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
本实验所采用的实验板，如光发射模块电路图所示，LD的激励电流I由两部分组成，一部分是由可调电位器WBIAS控制的直流偏置电流Ibias；另一部分，是由输入端接入经过可调电位器WMOD的调制电流Imod。
两部分电流相加注入激光器。
如图1-5所示，激光器与电阻RU106串联，电阻两端分别有T104和T106两个测试点，用来测量电阻两端电压，进而计算得到注入激光器的电流值。
测试点T105与激光二极管的阴极相连，T104与激光二极管的阳极相连，这两点间电压为激光器的偏置电压。
我们实验采用的激光管型号FT-F54F3SS4激光管，阈值电流10mA左右。
图1-5LD部分电路截图
图1-6表示的是Imod和Ibias对输出光功率的影响，编码模块提供的Imod调制信号相同的前提下，当IbiasIth时，此时激光器工作在线性状态，输出的光功率幅值会较大，我们可以把光信号接到光接收模块，将光信号转化为电信号，通过示波器观察波形变化。
图1-6Ibias和Imod对输出光功率的影响
编码模块的编码开关S301控制编码模块输出不同的波形，拨盘开关控制功能介绍如下：
图1-7拨盘开关示意图
我们主要用到编码模块拨盘开关的第1、2、6、7、8位，其中2号位控制时钟信号频率，拨到上侧代表“0”，此时时钟输出2MHz的时钟信号，拨到下侧代表“1”，此时输出4MHz的时钟信号。
对于编码模块拨盘开关S301：
第1位使能开关，为1时，拨盘开关正常工作。
第2位为时钟选择开关：
置“0”，此时SMA302输出2.048MHz时钟信号，用于配合SMA301读PN码数据，上升沿触发（低电平读数）。
置“1”，SMA302输出4.096MHz时钟信号,用于配合SMA301读CMI码数据，上升沿触发（低电平读数）。
第6、7、8位依次为：
000方波输出档SMA301输出为1MHz,Vp-p=5V的方波（2MHz二元码数据）。
001PN码输出档SMA301输出16位的PN码（伪随机码）。
010CMI译码输出档SMA301输出为由001状态下的PN码变换成的CMI
码。
01116位手动CMI码输出档SMA301输出由拨盘开关（S303和S302）编
制的16位CMI码。
1008位手动码输出档SMA301输出拨盘开关S302编制的8位手动码。
1018位手动码转化成CMI码输出档将100模式下的8位码转化为CMI
码通过SMA301输出。
110高电平档SMA301输出高电平。
111低电平档SMA301输出低电平。
四、实验步骤
1、LD的P-I曲线和V-I曲线的测量：
本实验中，LD的注入电流包括两部分：
调制电流和偏置电流，偏置电流的作用是让LD工作在合适的直流偏置点；调制电流的作用是让LD的输出光信号携带调制信息。
我们进行P-I-V曲线测试时，不需要加载信息，所以我们需要先将调制电流调为0，然后调节偏置电流，并记录不同偏置电流时,LD的输出光功率和偏置电压。
（1）用电缆线连接编码模块SMA301与光发射模块SMA101。
（2）从光发送模块的LD尾纤的连接器中取出保护塑料套，插入光功率计，拧紧光纤外围的螺丝环，打开光功率计，设置光功率计测量波长为1550nm,测出的光功率就是光发送端LD的输出光功率P。
（3）编码模块上电，光发送模块上电，编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档。
此时SMA301输出低电平，顺时针旋转光发送模块的电位器WMOD到底，使调制电流为0（可以通过测量电阻RU205左侧电压是否为0来判断调制电流是否调为0）。
（4）顺时针旋转电位器WBIAS到底，使得流过LD偏置电流为0。
（5）逆时针缓慢旋转电位器WBIAS，使偏置电阻RU106两端之间电压（红色表笔接T106，黑色表笔接触测试点T104）为表1中Vr所示大小,此时Vr的电压值除以电阻值RU106（100欧姆），即可得到注入激光二极管LD的电流I。
（6）读出此时光功率计上的数值填入表1中P（mw），将光功率计切换到dbm档，读出此时数值填入表1中P（dbm）。
（7）用数字万用表测量红色表笔接T104，黑色表笔接触测试点T105，测得的电压即为激光二极管的偏置电压U,填入表1。
（8）重复步骤（5）、（6）、（7），完成表1，并绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。
注：
这里需说明的是这里测得的是P-I和V-I曲线的一段（功率调节范围约4个dB），为了防止烧坏光发送组件，电流I的调节范围有限（电流调节范围约为30mA），但不妨碍整个P-I曲线的测量，因为测试方法是一样的，只是多测几组值而已。
表1
I（mA）
1
2
3
4
5
6
7
8
Vr（V）
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
U（V）
0.754
0.798
0.852
0.848
0.868
0.885
0.903
0.919
P（mW）
0.00003
0.00009
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
0.0008
0.0016
P（dBm）
-46.58
-41.31
-38.76
-36.79
-35.07
-33.44
-31.56
-28.20
I（mA）
9
10
11
12
13
14
15
16
Vr（V）
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
U（V）
0.933
0.946
0.957
0.969
0.983
0.993
1.005
1.016
P（mW）
0.0078
0.0654
0.126
0.185
0.25
0.31
0.354
0.411
P（dBm）
-21.55
-12.64
-9.68
-8.03
-6.74
-5.93
-5.22
-4.57
I（mA）
17
18
19
20
Vr（V）
1.7
1.8
1.9
2.0
U（V）
1.029
1.041
1.052
1.06
P（mW）
0.472
0.527
0.579
0.632
P（dBm）
-3.97
-3.50
-3.09
-2.7
2、观察偏置电流为零的条件下，改变调制电流对输出光信号的影响:
（1）用电缆线连接编码模块SMA301与光发送模块SMA101，取下法兰盘上的保护套，将光发送模块LD尾纤的连接器接入法兰盘的一端，法兰盘另外一端与光接收模块PD尾纤连接器相连。
光接收模块测试点T201连接到示波器。
（2）给编码模块、光发送模块、光接收模块三个模块上电。
（3）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1、第6、7、8位拨到111——低电平输出档，此时SM
（4）A301输出低电平，顺时针旋转电位器WMOD到底,使调制电流为0。
（5）顺时针旋转电位器WBIAS到底，使偏置电流为0（可通过测量电阻RU204电压值判断是否调0）。
（6）控制编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到110——高电平输出档，此时从SMA301输出约为5V的CMOS高电平。
（7）调节光发送模块可变电阻器WMOD,使R106两端T106与T104之间电压值Vr为表2中所示值，计算可得到此时调制电流值Imod=Vr/100。
（8）将编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到000位置——方波输出档,此时SMA301输出Vp-p=5V的方波。
调节示波器，观察输出信号波形变化，并记录此Imod条件下Vp-p的大小。
（9）重复步骤（5）、（6）、（7），改变Imod的大小，测试不同Imod情况下，波形Vp-p的大小，完成表2。
表2
Vr（V）
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
Imod（mA）
20
18
16
14
12
Vp-p（V）
1.12
1.0
0.84
0.7
0.56
Vr（V）
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
Imod（mA）
10
8
6
4
2
Vp-p（V）
0.4
0.25
0.04
0.03
0.03
注：
设置调制电流过程中我们首先采用5.0V高电平，调节电位器WMOD，使输出LD调制电流为Imod。
之后我们输入Vp-p=5.0V，占空比50%的方波作为调制电流，实际上此时用电压表测的的流入LD的调制电流平均大小应是Imod/2。
此实验主要用于观察输出波形变化，所以为方便起见，我们表2中采用的是5.0V高电平时的调制电流Imod。
3、观察调制电流一定的条件下，改变偏置电流对输出光信号的影响:
（1）保持上个实验线路的连接。
（2）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档。
此时SMA301输出调制电流为低电平，调节WMOD,使调制电流为0。
（3）顺时针旋转WBIAS到底使偏置电流为0。
（4）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到110——高电平输出档。
用数字万用表电压档检测T106与T104之间电压值,同时逆时针调节WMOD，使万用表读数为0.500V（此时调制电流调节为5mA）。
（5）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档，检测T106与T104之间电压值，同时逆时针调节WBIAS，使万用表读数为表3中Vr的值，此时相应的Ibias=Vr/100。
（6）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到000位置——方波输出档，调节示波器至显示清晰波形，观察示波器中波形，并记录Vp-p。
（7）重复步骤（5）、（6）完成表3。
表3
Vr（V）
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
Ibias（mA）
20
18
16
14
12
Vp-p（mV）
470
450
450
450
430
Vr（V）
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
Ibias（mA）
10
8
6
4
2
Vp-p（mV）
400
360
300
220
120
5、实验报告要求
1、画出LD的P-I特性曲线和V-I特性曲线。
根据所画出的P-I特性曲线，参照图1-4找出半导体激光器阈值电流Ith的大小，求出半导体激光器的斜率效率。
有P-I特性曲线图可知，半导体激光器阈值电流Ith=9Ma，
斜率K=0.63-0.08/20-10=0.057
2、观察偏置电流为零时，不同调制电流对输出光波形的影响。
如图，
存在7V的阈值电流，开启后呈线性关系
3、观察调制电流为零时，改变偏置电流对输出光波形的影响。
开始是上升比较快，最后缓慢。
6、思考题
1、为什么激光二极管的特性曲线与LED不同。
答：
激光二极管的工作原理与LED的原理不同，激光二极管存在损耗和增益，当增益大于消耗是就会形成线性关系，增加的速度比较快。
而LED的发光与半导体电流关系类似。
2、LD的偏置电流的作用是什么？
答：
费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转，电流越大增益就越大，要形成激光需要一定的偏置电流，当输入电流I>Ith部分，P-I曲线才近似成线性关系，LD发光是由受激辐射产生的激光。
而在I所以偏置电流就是可以使LD工作在产生激光的线性曲线的合适电流。
3、如何确定激光二极管的工作点？
答：
通过输入不同的电流值，测出相应的P—I曲线，通过图表可以参考相应的工作点。
或者给LD一定有小到大的电流，在加入不同的电流，查看是否实行线性放大，即可判断。
实验二平均发送光功率以及消光比测试
一、实验目的
掌握平均光功率的测试方法以及光功率的表示方法，理解不同编码方式对平均光功率的影响，掌握激光二极管的工作点与消光比、平均发送光功率的关系。
了解消光比定义，掌握消光比的测试方法，掌握调整消光比的方法。
二、实验仪器
1、光纤通信实验箱
2、20M双踪示波器一台
3、光功率计一个
4、数字万用表一个
5、光纤跳线若干
三、实验原理
光发送机的平均输出光功率被定义为当发送机送伪随机序列时（PN码），发送端输出的光功率的值。
平均发送光功率指标与实际的光纤线路有关，在长距离光纤数字通信系统中，要求有较大的平均发送光功率；在短距离的光纤数字通信系统中，要求较小的平均发送光功率。
设计人员应根据整个光纤通信系统的经济性、稳定性和可维护性全面考虑该指标，提出合适的数值要求，而不是越大越好。
图2-1模拟光发送调制度测试框图
平均发送光功率测试框图如图2-1所示。
在实验板编码模块，有两组拨盘开关，蓝色8位拨盘开关S301可以控制输出不同的编码（实验一有详细介绍）；红色16位拨盘开关（S302和S303）提供16位可控编码位，可以根据自己需要获得不同的编码。
编码后的波形通过光纤传给光发送模块（实验一用到的模块），将电信号转化为光信号，这样我们就可以通过光功率计读出不同编码，在不同Ibias和Imod情况下，输出光功率的变化，进而计算他们的平均光功率和消光比。
消光比的测试如图2-1，首先将光发送端机的输入信号断掉（即不给光发射模块送电信号），测出的光功率即为P00,即对应的输入数字信号为全“0”时的光功率。
测量P11时，编码模块通过控制拨盘开关送入伪随机码。
因为伪随机码的“0”码和“1”码等概率，所以，全“1”码时的光功率应是伪随机码时平均光功率P的两倍，即P11=2P，则消光比为：
（2－1）
测试结果可按上式计算。
某些资料中，消光比还使用以下的一种表示公式：
（2－2）
当P00=0.1P11时，EXT=10dB。
本实验提供PN码和CMI两种码用于测试，在测量平均光功率时需要说明两点：
⑴有的功率计可直接读dBm，若只能读mW（毫瓦）或μW（微瓦）应换算成dBm，
⑵光源的平均输出光功率与注入它的电流大小有关，测试应在正常工作的注入电流条件下进行。
四、实验步骤
首先我们需要调节调制电流Imod和偏置电流Ibias,分别把调制电流和偏置电流调为表5的数值，然后分别观察PN码和CMI码输入的情况下，激光的平均输出功率，最后进行消光比测试，消光比测试结束后再调整调制电流Imod和偏置电流Ibias，进行下一组的测量。
其具体步骤如下：
1、调制电流Imod与偏置电流Ibias的设置
（1）将编码模块SMA301与光发射模块SMA101连接，并给两模块上电。
（2）顺时针旋转光发送模块电位器WBIAS到底，此时偏置电流被置为零。
（3）将编码模块拨盘开关S301第1位拨到1，第6、7、8位拨到110——高电平输出档，此时SMA301输出一个约为5.0V的CMOS高电平信号。
（4）数字万用表拨到直流电压档，红表笔接光发射模块测试点T106，黑表笔接T104,实时监测电阻RU106=100欧姆两端电压。
（此电阻与激光器LD串联，流过电阻的电流即为注入激光器电流）。
（5）调节电位器WMOD，使数字万用表读数为表4中调制电流Imod*100mV=1V。
（6）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档。
（此时SMA301输出低电平，这样调制电流就被置零,接下来调节偏置电流）。
（7）调节电位器WBIAS，使数字万用表电压读数为表4中偏置电流Ibias*100mV。
此时偏置电流也调节完毕，接下来分别测试PN码与CMI码在此调制电流和偏置电流状态下的平均输出光功率。
2、平均输出光功率测试
（8）从光发送模块的LD尾纤的连接器中取出保护塑料套，接入光功率计，此时从光功率计读出的功率就是光端机的LD的输出光功率P。
（9）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到位置001——PN码输出档。
读出此时平均输出光功率PPN，填入表4。
（10）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到位置010——CMI码输出档，用4.096MHz的CMI码驱动LD驱动器。
读出此时平均输出光功率PCMI，填入表4。
注：
测试完一组Ibias和Imod对应的PPN和PCMI，先不着急改变电流，继续进行消光比的测试。
表4
Imod（mA）
10
10
10
10
10
10
10
10
Ibias（mA）
1
2
3
4
5
6
7
8
PPN（dBm）
-10.16
-8.98
-8.07
-7.28
-6.68
-6.06
-5.56
-5.08
PCMI（dBm）
-10.24
-9.12
-8.25
-7.48
-6.88
-6.27
-5.74
-5.25
Imod（mA）
10
10
10
10
10
10
10
10
Ibias（mA）
9
10
11
12
13
14
15
16
PPN（dBm）
-4.61
-4.01
-3.43
-2.95
-2.48
-2.08
-1.72
-1.37
PCMI（dBm）
-4.74
-4.15
-3.57
-3.09
-2.61
-2.21
-1.84
-1.49
3、消光比测试
（11）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111位置——低电平输出档，此时SMA301输出低电平（此时驱动电路输出“0”码），记录光功率计读数P00。
填入表5。
（12）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到位置001——PN码输出档，此时光光功率计读数为PPN，将PPN*2就得到P11。
填入表5。
（13）按照式2-1计算小光比EXT。
（14）回到步骤（6），重新设置偏置电流，大小为表5中所示，按步骤进行测量。
表5
Imod（mA）
10
10
10
10
10
10
10
10
Ibias（mA）
1
2
3
4
5
6
7
8
P00（dBm）
-45.16
-40.44
-37.98
-36.03
-34.44
-32.69
-30.50
-28.16
P11（dBm）
-20.32
-17.96
-16.14
-14.56
-13.36
-12.12
-11.12
-10.16
EXT
-3.47
-3.53
-3.72
-3.94
-4.11
-4.31
-4.37
-4.43
Imod（mA）
10
10
10
10
10
10
10
10
Ibias（mA）
9
10
11
12
13
14
15
16
P00（dBm）
-22.23
-11.93
-8.86
-7.27
-6.04
-5.15
-4.42
-3.77
P11（dBm）
-9.22
-8.02
-6.86
-5.90
-4.96
-4.16
-3.44
-2.74
EXT
-3.82
-1.72
-1.11
-0.91
-0.86
-0.93
-1.09
-1.39
五、实验报告要求
1、分别用dBm和mW表示所测得的2MPN码发送机平均功率。
2、分别用
升级会员 