《光电子技术实验》

实 验 讲 义

光信息教研室 2012年9月

光电子技术实验讲义

目 录

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

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光电子技术实验讲义

实验一 LD/LED的P-I-V特性曲线测试

一、实验目的

1、通过测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－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。

二、实验内容

1、测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线。

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 Stimulated Emission of Radiation（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（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El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0.1～0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N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N层之间形成的是P--N异质结，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。

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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0.1～0.3μm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：

VVTI

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VT。 （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。

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PLDLEDPthIthI

图4 LD/LED的P-I特性曲线

在结构上，由于LED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If>Ith部分，P-I曲线才近似一根直线。而在If

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。

P?Pth??If?Ith??式中If为注入电流，h?6.628?10?34?Dhfe

J?S为普朗克常数，f?c?为入射光频率，

c?3?108m/s为光速，?为入射光波长，e为电子电量，ηD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ηD：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

?Dhfe，由

曲线求得斜率，可计算ηD。

（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ηD随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηD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)?Ith(Tr)exp[(T?Tr)/T0]

式中，Tr为室温，Ith(Tr)为室温下的阈值电流，T0为特征温度。不同温度下，LD的P-I曲线如图3，根据此图可以求出LD的特征温度。

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