光信专业综合实验 电子科学与技术学院编 2012.7
光信专业综合实验 电子科学与技术学院编 2012．7
专业综合实验 1半导体激光器的参数测量与调制特性… 2半导体激光泵浦固体激光器及其倍频和调Q…………………7 3HeNe激光器的装调及纵模测量 4灯泵YAG激光器综合实验… 5光学传递函数测量和透镜像质评价实验……… ……30 6阿贝成像原理和空间滤波 7用光学方法实现图像相减 …38 8彩色编码摄影实验……… 9光源与光纤耦合实验 10光纤参数测量实验… 光无源器件测试… 12单模光纤的色散和损耗特性测量实验…… …74 13光纤视频综合传输系统 14光纤网络实验 5掺铒光纤放大器实验……………… …94 16光纤传感实验…… 17用户线信令与无绳电话实验…… 误码测试 …117 19光纤通信原理实验…… 20液晶的电光效应实验…… ……………127
专业综合实验 1 半导体激光器的参数测量与调制特性………………………………………………………1 2 半导体激光泵浦固体激光器及其倍频和调 Q………………………………………………7 3 He-Ne 激光器的装调及纵模测量 …………………………………………………………14 4 灯泵 YAG 激光器综合实验…………………………………………………………………23 5 光学传递函数测量和透镜像质评价实验 …………………………………………………30 6 阿贝成像原理和空间滤波 …………………………………………………………………35 7 用光学方法实现图像相减 …………………………………………………………………38 8 彩色编码摄影实验 …………………………………………………………………………43 9 光源与光纤耦合实验 ………………………………………………………………………48 10 光纤参数测量实验 …………………………………………………………………………52 11 光无源器件测试 ……………………………………………………………………………65 12 单模光纤的色散和损耗特性测量实验 ……………………………………………………74 13 光纤视频综合传输系统 ……………………………………………………………………81 14 光纤网络实验 ………………………………………………………………………………87 15 掺铒光纤放大器实验 ………………………………………………………………………94 16 光纤传感实验………………………………………………………………………………100 17 用户线信令与无绳电话实验………………………………………………………………109 18 误码测试 …………………………………………………………………………………117 19 光纤通信原理实验…………………………………………………………………………125 20 液晶的电光效应实验………………………………………………………………………127
实验Ⅰ半导体激光器的参数测量和调制特性 、实验目的 1.通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流,学生通过这些参数画出PV、PI、IV 曲线,让学生了解半导体的工作特性曲线 2.学会通过曲线计算半导体激光器的阈值,以及功率效率,外量子效应和外微分效应。并对 者进行比较 3.内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器,通过调整不同的静态工作点,和输入信 号强度大小不同,观察到截至区,线性区,限流区的信号不同响应(信号畸变,线性无畸变) 了解调制工作原理 4.测量激光器的调制带宽。 、实验原理 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器,由于物质结构上的差异,产生 激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌 (ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结 激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作 半导体激光器具有体积小、效率高等优点,广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理 等方面。 1.半导体激光器的结构与工作原理 、砷化镓(GaAs)激光器为例,介绍注入式同质结激光器的工作原理。半导体的能带结构。 导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时,晶体中那些价电子都处在 晶体能帶带上。价电子所处的能带称价带(对应较低能量)。与价带最近的髙能带称导带,能带之 间的空域称为禁带。当加外电场时,价带中电子跃迁到导带中去,在导带中可以自由运动而起 导电作用。同时,价带中失掉一个电子,则相当于出现一个带正电的空穴,这种空穴在外电场 的作用下,也能起导电作用。因此,价带中空穴和导带中的电子都有导电作用,统称为载流子 掺杂半导体与pn结。没有杂质的纯净半导体,称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂 原子,则在导带之下和价带之上形成了杂质能级,分别称为施主能级和受主能级 有施主能级的半导体称为n型半导体;有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下, 热能使n型半导体的大部分施主原子被离化,其中电子被激发到导带上,成为自由电子。而p 型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子,在价带中形成空穴。因此,n型半导体主 要由导带中的电子导电;p型半导体主要由价带中的空穴导电 半导体激光器中所用半导体材料,掺杂浓度较大,n型杂质原子数一般为2~5×108cm; 型为1~3×101cm1。 在一块半导体材料中,从p型区到n型区突然变化的区域称为pn结。其交界面处将形成 空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散,而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散 这样一来,结构附近的n型区由于是施主而带正电,结区附近的p型区由于是受主而带负电 在交界面处形成一个由n区指向p区的电场,称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续 扩散(见图1)。 图1自建电场的示意图
- 1 - 实验 1 半导体激光器的参数测量和调制特性 一、实验目的 1．通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流，学生通过这些参数画出 P-V、P-I、I-V 曲线，让学生了解半导体的工作特性曲线。 2．学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，以及功率效率，外量子效应和外微分效应。并对 三者进行比较。 3．内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器，通过调整不同的静态工作点，和输入信 号强度大小不同，观察到截至区，线性区，限流区的信号不同响应（信号畸变，线性无畸变）， 了解调制工作原理。 4．测量激光器的调制带宽。 二、实验原理 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生 激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌 (ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结 激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理 等方面。 1．半导体激光器的结构与工作原理 现以砷化镓（GaAs）激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。半导体的能带结构。 半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在 晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之 间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起 导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场 的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。 掺杂半导体与 p-n 结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂 质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级 有施主能级的半导体称为 n 型半导体；有受主能级的半导体称这 p 型半导体。在常温下， 热能使 n 型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而 p 型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n 型半导体主 要由导带中的电子导电；p 型半导体主要由价带中的空穴导电。 半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n 型杂质原子数一般为 2～5×1018 cm -1 ；p 型为 1～3×1019 cm -1。 在一块半导体材料中，从 p 型区到 n 型区突然变化的区域称为 p-n 结。其交界面处将形成 一空间电荷区。n 型半导体带中电子要向 p 区扩散，而 p 型半导体价带中的空穴要向 n 区扩散。 这样一来，结构附近的 n 型区由于是施主而带正电，结区附近的 p 型区由于是受主而带负电。 在交界面处形成一个由 n 区指向 p 区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续 扩散（见图 1）。 图 1 自建电场的示意图
An结电注入激发机理。若在形成了pn结的半导体材料上加上正向偏压,p区接正极,n 负极。显然,正向电压的电场与pn结的自建电场方向相反,它削弱了自建电场对晶体中 电子扩散运动的阻碍作用,使n区中的自由电子在正向电压的作用下,又源源不断地通过pn 结向p区扩散,在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时,它们将在注入区产 生复合,当导带中的电子跃迁到价带时,多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场 致发光的机理,这种自发复合的发光称为自发辐射。 要求注Pn结产生激光,必须在结构内形成粒子反转分布状态,需使用重掺杂的半导体材料, 要求注入pn结的电流足够大(如30000cm2)。这样在pn结的局部区域内,就能形成导带中 的电子多于价带中空穴数的反转分布状态,从而产生受激复合辐射而发出激光 半导体激光器结构。如图2为结构图,其外形及大小与小功率半导体三极管差不多,仅 在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状,结区厚为几十微米,面积约 小于1mm2 电流注入 光束 图2半导体激光器的结构图 半导体激光器的光学谐振腔是利用与pn结平面相垂直的自然解理面(110面)构成,它有 35的反射率,已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅,再镀一层金 属银膜,可获得95%以上的反射率。 旦半导体激光器上加上正向偏压时,在结区就发生粒子数反转而进行复合 2.半导体激光器的工作特性 0.8 15 工作电流(mA) 功率和工作电流 基本是由两段斜 率不同的直线构成 收LD在极 电压已经 以一般测量时,只能 看到第二段,第二段是LD的串联电阻(LD本身的电阻特性)与通过LD的电流的结果 (1)阙值电流(l) 当注入p-n结的电流较低时,只有自发辐射产生,随电流值的增大增益也增大,达阈值电流 时,p-n结产生激光。影响阈值的几个因素: a)晶体的掺杂浓度越大,阈值越小。 b)谐振腔的损耗小,如增大反射率,阈值就低。 c)与半导体材料结型有关,异质结阈值电流比同质结低得多。目前,室温下同质结的阈
- 2 - p-n 结电注入激发机理。若在形成了 p-n 结的半导体材料上加上正向偏压，p 区接正极，n 区接负极。显然，正向电压的电场与 p-n 结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中 电子扩散运动的阻碍作用，使 n 区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过 p-n 结向 p 区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产 生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场 致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。 要使 p-n 结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料， 要求注入 p-n 结的电流足够大（如 30000A/cm2 ）。这样在 p-n 结的局部区域内，就能形成导带中 的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。 2．半导体激光器结构。如图 2 为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅 在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的 p 区与 n 区做成层状，结区厚为几十微米，面积约 小于 1mm2 。 图 2 半导体激光器的结构图 半导体激光器的光学谐振腔是利用与 p-n 结平面相垂直的自然解理面（110 面）构成，它有 35 的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金 属银膜，可获得 95％以上的反射率。 一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。 2．半导体激光器的工作特性 图 3 半导体激光器的工作特性曲线 图 3 中给出了典型的半导体激光器的工作特性示意图，其中实线是输出光功率和工作电流 的关系（实线）；图中的虚线是工作电压和工作电流的关系曲线（V-I 曲线），它基本是由两段斜 率不同的直线构成，一般 LD 在极小的电流状态下，电压已经较大了，所以一般测量时，只能 看到第二段，第二段是 LD 的串联电阻（LD 本身的电阻特性）与通过 LD 的电流的结果。 （1）阈值电流（Ith）。 当注入 p-n 结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流 时，p-n 结产生激光。影响阈值的几个因素： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。 b) 谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈 0 0.4 0.8 1.2 0 5 10 15 20 25 工作电流（mA） 输出功率（mW） 0 0.5 1 1.5 2 2.5 工作电压（mV） V－I P－I
值电流大于300004/cm2;单异质结约为8000cm2:双异质结约为1600Acm2。现在 已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器 d)温度愈高,阈值越高。l00K以上,阈值随T的三次方增加。因此,半导体激光器最好 在低温和室温下工作 e)阈值电流(lt)的测量方法。 d 350 d2P/dI2 是250 150 a15 工作电流(mA) 图4半导体激光器的工作特性曲线 图4中给出了典型的半导体激光器的典型特性示意图,其中的曲线是输出光功率和工作电 流的关系(实线),虚线是对功率和电流的关系一次求导的结果,划线是对功率和电流的曲线的 二次求导的结果。一般对阈值的描述常用的有下述几种过程:a,在PI曲线的快速上升断上取 其中的线性部分延长线与横坐标的交点;b,把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线,那 么两条直线的交点就是阈值;c,在dPdI的曲线上,取上升延的中点(10%和90%两点的中点) d,dP/dI2的顶点作为阈值点。 (2)效率 a)外量子效率: 激光器每秒钟发射的光子数 P/hv a激光器每秒钟注入的电子一空穴对数/e 其中Pε为激光器输出光功率,h为普朗克常数,eo为电荷常数,I为工作电流。一般 77K时,GaAs激光器外量子效率达70%-80%:300K时,降到30%左右 b)功率效率 激光器辐射的光功率 p=激光器消耗的电功率 由于hv≈Eg=e0,所以功率效率可以近似为外量子效率。其中Ⅴ为激光器工作电压 c)外量子微分效率 由于激光器是阈值器件,当I小于I,发射功率几乎为零,而大于阈值以后,输出功 率随电流线性增加,所以用外量子效率和功率效率对激光器的描述都不够直接,所以定义 了外微分效率。 (Per -ph)/hv /hv l-l)/eo(-lt)/eo 由于各种损耗,目前的双异质结器件,室温时的np最高10%,只有在低温下才能达 到30%-40%
- 3 - 值电流大于 30000A/cm2 ；单异质结约为 8000A/cm2 ；双异质结约为 1600A/cm2 。现在 已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。 d) 温度愈高，阈值越高。100K 以上，阈值随 T 的三次方增加。因此，半导体激光器最好 在低温和室温下工作。 e) 阈值电流（Ith）的测量方法。 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 5 10 15 20 25 工作电流（mA） 输出光功率（uW） P-I dP/dI d2P/dI2 图 4 半导体激光器的工作特性曲线 图 4 中给出了典型的半导体激光器的典型特性示意图，其中的曲线是输出光功率和工作电 流的关系（实线），虚线是对功率和电流的关系一次求导的结果，划线是对功率和电流的曲线的 二次求导的结果。一般对阈值的描述常用的有下述几种过程：a，在 P-I 曲线的快速上升断上取 其中的线性部分延长线与横坐标的交点；b，把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那 么两条直线的交点就是阈值；c，在 dP-dI 的曲线上，取上升延的中点（10％和 90％两点的中点）； d，d2 P/dI2的顶点作为阈值点。 （2）效率 a) 外量子效率： 0 / P / I e ex h ex ν η ＝ 激光器每秒钟注入的电子 空穴对数 激光器每秒钟发射的光子数 − = 其中 Pex 为激光器输出光功率，h 为普朗克常数，e0 为电荷常数，I 为工作电流。一般 77K 时，GaAs 激光器外量子效率达 70％－80％；300K 时，降到 30％左右。 b) 功率效率 I ex V P p ＝ 激光器消耗的电功率 激光器辐射的光功率 η = 由于 hν ≈ Eg ≈ e0V ，所以功率效率可以近似为外量子效率。其中 V 为激光器工作电压。 c) 外量子微分效率 由于激光器是阈值器件，当 I 小于 Ith，发射功率几乎为零，而大于阈值以后，输出功 率随电流线性增加，所以用外量子效率和功率效率对激光器的描述都不够直接，所以定义 了外微分效率。 0 0 ( ) / P / ( ) / (P ) / I I e h I I e P h th ex th ex th D − ≅ − − = ν ν η 由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的 ηD 最高 10％，只有在低温下才能达 到 30％－40％。 a c d b