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光纤通信实验材料
实验一半导体激光器P-I特性测试实验
一、实验目的
1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理
2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系
3、掌握半导体激光器P(平均发送光功率)-I(注入电流)曲线的测试方法
二、实验内容
1、测量半导体激光器输出功率和注入电流,并画出P-I关系曲线
2、根据P-I特性曲线,找出半导体激光器阈值电流,计算半导体激光器斜率效率
三、实验仪器
1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2、FC接口光功率计1台
3、FC-FC单模光跳线1根
4、万用表1台
5、连接导线20根
四、实验原理
光源是把电信号变成光信号的器件,在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面:
首先,光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内,要求材料色散较小。
其次,光源输出功率必须足够大,入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三,光源应具有高度可靠性,工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四,光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。
第五,光源应便于调制,调制速率应能适应系统的要求。
第六,电—光转换效率不应太低,否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七,光源应该省电,光源的体积、重量不应太大。
作为光源,可以采用半导体激光二极管(LD,又称半导体激光器)、半导体发光二极管(LED)、固体激光器和气体激光器等。
但是对于光纤通信工程来说,除了少数测试设备与工程仪表之外,几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。
本实验简要地介绍半导体激光器,若需详细了解发光原理,请参看各教材。
半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器,它通过受激辐射发光,是一种阈值器件。
处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1,这个过程称为光的受激辐射,所谓一模一样,是指发射光子和感应光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,它和感应光子是相干的。
由于受激辐射与自发辐射的本质不同,导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW)辐射,而且输出光发散角窄(垂直发散角为30~50°,水平发散角为0~30°),与单模光纤的耦合效率高(约30%~50%),辐射光谱线窄(Δλ=0.1~1.0nm),适用于高比特工作,载流子复合寿命短,能进行高速信号(>20GHz)直接调制,非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
半导体激光器的特性,主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf等。
除上述特性参数之外,有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。
阈值电流是非常重要的特性参数。
图8-1上A段与B段的交点表示开始发射激光,它对应的电流就是阈值电流Ith。
半导体激光器可以看作为一种光学振荡器,要形成光的振荡,就必须要有光放大机制,也即激活介质处于粒子数反转分布,而且产生的增益足以抵消所有的损耗。
将开始出现净增益的条件称为阈值条件。
一般用注入电流值来标定阈值条件,也即阈值电流Ith。
P-I特性是半导体激光器的最重要的特性。
当注入电流增加时,输出光功率也随之增加,在达到Ith之前半导体激光器输出荧光,到达Ith之后输出激光,输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式8-1。
(8-1)
ΔP/ΔI就是图8-1激射时的斜率,
是普朗克常数(6.625*10-34焦耳
秒),v为辐射跃迁情况下,释放出的光子的频率。
图8-1LD半导体激光器P-I曲线示意图
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(测试方法见实验四)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。
在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm,带尾纤及FC型接口。
其典型参数如下表1-1:
Parameter
参数
Symbol
符号
Min
最小值
Typ
典型值
Max.
最大值
Unit
单位
CentralWavelength
中心波长
1280
1310
1340
nm
SpectralWidthRMS
谱线宽度
2
5
nm
ThresholdCurrent
阈值电流
8
15
mA
Opticaloutputpower
输出功率
0.2
0.4
mW
ForwardVoltage
正向电压
Vf
1.2
1.6
V
RiseTime/FallTime
上升/下降时间
tr/tf
0.3
0.5
ns
……
……
……
……
……
……
表8-1本实验半导体激光器的部分参数参考表
本实验所涉及的实验框图如图8-2,R110(1Ω)与激光器串联。
图8-2激光器工作框图
电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。
为了测试更加精确,实验中先用万用表测出R110的精确值(将BM1、BM2都拨到中档,用万用表的欧姆档测T103、T104之间的电阻),计算得出半导体激光器的驱动电流,然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率,从而完成P-I特性的测试。
并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。
五、实验步骤
1、用导线连接电终端模块T68(M)和T94(13_DIN)。
2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”,将电位器W44逆时针旋转到最小。
3、旋开光发端机光纤输出端口(1310nmT)防尘帽,用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来,并将光功率计测量波长调整到1310nm档。
4、用万用表测量T97(TV+)和T98(TV-)之间的电阻值(电阻焊接在PCB板的反面),找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系(V=IR110)。
5、将电位器W46(阈值电流调节)逆时针旋转到底。
6、打开交流电源,此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮
7、用万用表测量T97(TV+)和T98(TV-)两端电压(红表笔插T97,黑表笔插T98)。
8、慢慢调节电位器W44(数字驱动调节),使所测得的电压为下表中数值,依次测量对应的光功率值,并将测得的数据填入下表1-2,精确到0.1uW。
9、做完实验后先关闭交流电开关。
10、拆下光跳线及光功率计,用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口,将实验箱还原。
U(mV)
1
2
3
4
5
6
7
8
I(mA)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
P(uW)
U(mV)
9
10
12
14
16
18
20
22
I(mA)
9.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
P(uW)
U(mV)
24
26
28
30
32
34
36
38
I(mA)
24.0
26.0
28.0
30.0
32.0
34.0
36.0
38.0
P(uW)
LD的P-I特性测试表
六、实验测试点说明
T97(V+)、T98(V-)激光器的数字驱动电流测试端
TP108(LT)激光器的输出信号测试端
七、实验报告
1、根据测试结果,算出半导体激光器驱动电流,画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。
2、根据所画的P-I特性曲线,找出半导体激光器阈值电流
的大小。
3、根据P-I特性曲线,求出半导体激光器的斜率效率。
4、实验结果及误差分析正确。
八、思考题
1、试说明半导体激光器发光工作原理。
2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响?
3、分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中,半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。
实验二光发射机性能测试实验
一、实验目的
1、了解数字光发端机输出光功率的指标要求
2、掌握数字光发端机输出光功率的测试方法
3、了解数字光发端机的消光比的指标要求
4、掌握数字光发端机的消光比的测试方法
二、实验内容
1、测试数字光发端机的输出光功率
2、测试数字光发端机的消光比
3、比较驱动电流的不同对输出光功率和消光比的影响
三、实验仪器
1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2、FC接口光功率计1台
3、FC-FC单模光跳线1根
4、万用表1台
5、850nm光发端机(可选)1个
6、ST-FC多模光跳线(可选)1根
7、连接导线20根
四、实验原理
光发送机是数字光纤通信系统中的三大组成部分(光发送机、光纤光缆、光接收机)之一。
其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号,并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去。
根据光纤在0.85um、1.31um或1.55um附近呈现低损耗的特性,结合半导体发光材料,其辐射波长能够覆盖上述范围的是GaAs化合物。
光源驱动电路是光发送机的主干电路,它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式调制半导体激光器或者发光二极管发射出光脉冲信号。
一个性能十分完善的光发送机,一方面是需要能够适应数字光纤通信特点的性能先进的光源器件,另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电子线路技术进行恰到好处的控制与防范。
这就是光发送机除了一定要有整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外,还可能要有自动功率控制、自动温度控制和各种保护电路的原因。
光发送机的指标有如下几点:
1、输出光功率:
输出光功率必须保持恒定,要求在环境温度变化或LD器件老化的过程中,其输出光功率保持不变,或者其变化幅度在数字光纤通信工程设计指标要求的范围内,以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。
输出光功率是指给光发端机的数字驱动电路送入一伪随机二进制序列作为测试信号,用光功率计直接测试光发端机的光功率,此数值即为数字发送单元的输出光功率。
输出光功率测试连接如图12-1所示。
图12-1输出光功率测试连接示意图
根据CCITT标准,信号源输出信号为表12-1所规定的要求。
数字率(kbit/s)
伪随机测试信号
2048
215-1
8448
215-1
34368
223-1
139264
223-1
表12-1信号源输出信号要求
2、消光比:
消光比定义式如下式4-1,P0是给光发端机的数字驱动电路发送全“0”码,测得的光功率,P1是给光发端机的数字驱动电路发送全“1”码,测得的光功率,将P0,P1代入公式:
(12-1)
即得到光发端机的消光比。
消光比的值与光源工作电流有一定的关系,一般当发送“0”时,工作电流应在阀值附近,实验时可调节相应的驱动电流值。
光通信系统一般要求消光比越大越好,但是不可过大或过小,消光比太大,即预偏置电流太小或没有,影响通信系统传输速率;消光比太小,则调制深度浅,有用光功率比例减小,影响系统灵敏度。
3、光脉冲的响应时间
及开通延迟时间
必须远小于每个码元的时隙,以便使光脉冲成为传输数字信号的准确重现。
4、输出光脉冲无张弛振荡和自脉动
当调制速率较高时,输出光脉冲可能会出现张弛振荡。
这时必须在电路上加以阻尼,以便使光发送机能正常工作。
输出光脉冲上出现自脉动与LD的输出特性曲线上出现扭折有关。
5、LD的辐射波长必须保持恒定
当调制速率高达数Gbit/s时,LD的辐射波长在调制脉冲的上升沿时向短波长漂移,而在脉冲下降沿时则向长波长漂移,这种现象称为Chirp效应。
它严重恶化数字光纤通信系统的传输质量,限制通信的中继距离。
在高速以至超高速的光发送机中应该对此采取相应有效的解决措施,以便实现大容量长距离的数字光纤通信。
前面指出输出光功率需恒定,或者变动微小,这是通过自动功率控制或者自动温度控制技术达到这种目的的。
本套实验系统未涉及到这种技术。
光纤传输系统、发光器件、驱动电流,都会影响发光系统的输出光功率和消光比,本实验采用4M速率的伪随机测试信号作为信号源,伪随机码测试信号为24-1位,通过观察三种不同光纤通信系统(850nm、1310nm和1550nm)传输NRZ码的输出光功率和消光比,比较其输出光功率和消光比异同点及其影响因素,同时观察驱动电流对输出光功率和消光比的影响。
实验原理图如下:
图12-2数字光驱动电路
图中是由MC10116和Q8、Q21组成数字驱动电路。
MC10116为数字接口电路送出ECL电平的双路信号Q和Q/,Q8、Q21组成差分高速驱动电路。
W44为精密可调电位器,通过调节可改变LD131激光器的驱动电流。
五、实验步骤
a、1550nm数字光发端机平均光功率及消光比测试
1、用导线连接电终端模块T68(M)和T92(15_DIN)
2、将拨码开关K35的值拨为“0000”。
3、用FC-FC光纤跳线将1550T输出端与FC接口光功率计连接,形成输出光功率测试系统。
4、打开交流电源,此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
5、将光功率计调至1550波长档,用光功率计测量此时光发端机的光功率,即为光发端机的输出光功率。
6、拆除导线T68(M)和T92(15_DIN),其余连线不变,连接导线T79(D1_O)与T92(15_DIN),将数字信号源模块的拨码开关K36拨为全“1”,测得此时光功率为P1,将拨码开关K36拨为全“0”,测得此时光功率为P0。
7、将P1,P0代入公式12-1式即得1550nm数字光纤传输系统消光比。
8、依次关闭各电源,拆除导线,拆除光纤跳线,将实验箱还原。
b、1310nm数字发端机输出光功率及消光比测试
1、用导线连接电终端模块T68(M)和T94(13_DIN)。
2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”,将电位器W44逆时针旋转到最小。
3、旋开光发端机光纤输出端口(1310nmT)防尘帽,用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计连接起来。
4、用万用表测量T97(TV+)和T98(TV-)之间的电阻值(电阻焊接在PCB板的反面),找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系(V=IR110)。
5、打开交流电源,此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
6、将电位器W46(阈值电流调节)逆时针旋转到底。
7、慢慢调节电位器W44(数字驱动调节),用万用表测量T97(TV+)和T98(TV-)两端电压(红表笔插T97,黑表笔插T98),使之为25mV。
8、将光功率计调至1310波长档,用光功率计测量此时光发端机的光功率,即为光发端机的输出光功率。
9、拆除导线T68(M)和T94(13_DIN),其余连线和设置不变,连接导线T79(D1_O)与T94(13_DIN),将数字信号源模块的拨码开关K36拨为全“1”,测得此时光功率为P1,将拨码开关K36拨为全“0”,测得此时光功率为P0。
10、将P1,P0代入公式12-1式即得1310nm数字光纤传输系统消光比。
11、重复6-9步,调节电位器W44,调节驱动电流大小为下表中数值时,测得的输出光功率及消光比填入下表。
12、依次关闭各电源,拆除导线,拆除光纤跳线,将实验箱还原。
驱动电流(mA)
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25
平均光功率(uW)
P1(uW)
P0(uW)
消光比(dB)
六、实验测试点说明
T97(V+)、T98(V-)激光器的数字驱动电流测试端
TP108(LT)激光器的输出信号测试端
T92(15_DIN)1550光端机的数据输入端
T94(13_DIN)1310光端机的数据输入端
T68(M)电终端256K伪随机信号输出端
七、实验报告
1、记录光发端机的输出光功率,通过实验数据计算光发端机的消光比
2、比较不同驱动电流下的输出光功率及消光比,确定驱动电流取多大时,1310nm光发送系统更符合传输要求
3、比较850nm、1310nm及1550nm数字光发送系统输出光功率及消光比,并分析系统性能指标
4、对实验结果以及误差分析正确
八、思考题
1、输出光功率大小对光纤通信系统有何影响?
2、消光比大小对光纤通信系统传输特性有何影响?
3、如何确定数字光纤通信系统的驱动电流?
实验三光电探测器特性测试实验
一、实验目的
1、学习光电探测器响应度及量子效率的概念
2、掌握光电探测器响应度的测试方法
3、了解光电探测器响应度对光纤通信系统的影响
二、实验内容
1、测试1310nm检测器I-P特性
2、根据I-P特性曲线,得出检测器的响应度并计算其量子效率
三、实验仪器
1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2、光功率计1台
3、FC-FC单模光跳线1根
4、万用表1台
5、连接导线20根
四、实验原理
在光纤通信工程中,光检测器(photodetector),又称光电探测器或光检波器。
按其作用原理可分为热器件和光子器件两大类。
前者是吸收光子使器件升温,从而探知入射光能的大小,后者则将入射光转化为电流或电压,是以光子-电子的能量转换形式完成光的检测目的。
最简单的光检测器就是p-n结,但它存在许多缺点,光纤通信系统中,较多采用p-i-n光电二极管(简称PIN管)及雪崩光电二极管(APD管),都是实现光电转换的半导体器件。
在给定波长的光照射下,光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。
简言之,即输入单位的光功率产生的平均输出电流,R的单位为A/W或uA/uW。
其表达式为:
(13-1)
响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性,而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。
量子效率是能量为hυ的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量:
(×100%)(13-2)
上式中,e是电子电荷;υ为光的频率。
通过测试IP与P的关系,即可计算获得检测器的量子效率,其中光电检测器的量子效率与响应度的关系为:
(13-3)
在波长确定的情况下,通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流,即可获得检测器的响应度及量子效率的大小,从而了解检测器的性能指标。
实验箱中,1310nm与1550nm两个波长使用的检测器均为PIN光电二极管,其1310参考指标见下表13-1。
参数
最小值
典型值
最大值
单位
备注
工作波长
1100
1650
nm
带宽(-3dB)
2
GHz
结电容(Vcc=5V)
1
Pf
暗电流(Vcc=5V)
1
nA
响应度(Vcc=5V)
0.8
0.85
A/W
1310nm
光反射损耗
40
dB
工作电压
25
V
使用环境温度
-40
80
℃
二阶失真
-70
dBc
三阶失真
-80
表13-11310光检测器的参考指标
用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率,然后再测试得到光收端机检测得到的响应电流,改变光发端机输出功率,作检测器端的I-P特性曲线,曲线斜率即为特定波长下的响应度。
响应电流的测定是通过运放,将检测器的电流信号,放大成电压信号后得到的,检测电压点为T103(VOUT),即此测试点与接地点之间的电压V。
其放大系数为n可以通过W47(现行度调节)来调节,即检测电流
I=V/10000×n(13-4)
电流电压转换原理图见下图13-1。
图13-1电流电压转换原理图
而实际的所测的电流I只有探测器输出电流的1/6,原因如下
图13-2探测器电流流向图
因此,在计算探测器的相应度时因该将测得的电流值乘以6倍,作为探测器的响应电流。
因此,相应度R的实际计算公式为
(13-5)
五、实验步骤
1310nm光检测器I-P特性测试
1、用导线连接电终端模块T68(M)和T94(13_DIN)。
2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”,将开关BM2拨为1310nm,将开关K30拨为“测试”,将电位器W44逆时针旋转到最小。
3、旋开光发端机光纤输出端口(1310nmT)防尘帽,用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光机收机(1310nmR)连接起来。
4、用万用表测量T97(TV+)和T98(TV-)之间的电阻值(电阻焊接在PCB板的反面),找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系(V=IR110)。
5、打开交流电源,此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
6、将电位器W46(阈值电流调节)逆时针旋转到底。
7、用万用表测量T97(TV+)和T98(TV-)两端电压(红表笔插T97,黑表笔插T98),调节半导体激光器驱动电流,使之为25mV,将电位器W47(线性度调节)顺时针调到最大,用万用表测试T103(VOUT)与地之间电压V,填入下表中,将1310nm光收端机端光纤取出,测试此时光功率并填入对应表格中。
8、调节W44,减小驱动电流为下表中的数值,测试T103(VOUT)与地之间的电压,取出光纤测试光功率,填入对应表格中。
9、依次关闭各直流电源、交流电源,将K30拨到下面,拆除导线,将实验箱还原。
驱动电流(mA)
30
25
20
15
10
5
T103:
测试电压V(V)
计算得到电流I(mA)
输出光功率P(uW)
表13-2实验结果记录表
10、将测得的电压,代入公式13-5中,计算得到检测器输出电流I,填入对应表格中。
六、实验测试点说明
T97(V+)、T98(V-)激光器的数字驱动电流测试端
TP114(13OUT)探测器的接收信号测试端
T103(VOUT)探测器I-P特性曲线电压测试端
七、实验报告要求
1、字迹工整
2、原理论述清楚
3、根据测试结果,画出1310nm光检测器I-P特性曲线;计算得出各检测器的响应度及量子效率
4、实验结果及误差分析正确
八、思考题
1、影响检测器响应度的指标有哪些?
这些指标如何影响光纤通信系统性能?
2、推导检测器响应度R与量子效率关系式。
3、试设计实验,测试半导体检测器对1550nm波长光波
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