对于LD可以根据其P-I曲线可以求出LD的外微分量子效率ηD。
其具有如下关系：
因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。
由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。
随着温度的增加，LD的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。
阈值与温度的近似关系可以表示为：
式中，
为室温，
为室温下的阈值电流，
为特征温度。
不同温度下，LD的P-I曲线如图，根据此图可以求出LD的特征温度。
（T2>T1）
LD/LED电流源使用说明：
1、本机为LD/LED专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm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电流源
2）Iop及Im电流测试
3）LD恒功老化及恒流老化
本产品的一大特色是设备内部带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，可以控制LD输出恒定的光功率。
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。
比如，可将被测LD调到5mW输出，记录该LD在通电1小时后、1天后、1月后、3月后工作电流（Iop）的变化量，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。
2、其主要性能指标为：
供给电流（Iop）max：
150mA
反馈电流（Im）max：
2000uA
Iop的测量准确度：
±0.5mA
Im测量准确度：
±5uA
电源规格：
输入：
190V-250V，50/60Hz
输出：
直流+5V，500mA
3、仪器面板结构图（如图4）
图4
①LD/LED电流显示
②激光器背向探测电流显示
③电源开关
④LD/LED电流输出
⑤DVD管、POINTER管切换开关（DVD管则按下开关，POINTER管则弹起）
⑥恒功、恒流切换开关
⑦输出电流粗调旋钮
⑧输出电流细调旋钮
4、操作步骤
1）将配套直流电源接入电流源后面电源输入接口处。
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，观察电流变化，改调“细调”旋钮，可将LD工作电流调至要求的数值（可用一台光功率计同时来测量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显示窗口可以读出背向探测电流值。
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：
将切换开关拨到恒功档，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：
将切换开关拨到恒流档，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、按图示线路连接LD或LED，其引脚说明见图6和图7。
若没有配积分球，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。
实验时，若不使用积分球，将只会影响到LED各参数的测量精度，对LD各参数的测量不会影响。
图5没有使用积分球和温控器的连接框图
图6使用积分器和温控器的连接框图
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。
图8LED引脚说明：
3.LED正；4.LED正
2、若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到20℃。
3、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档位。
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。
注意：
LD为静电敏感元件，因此操作者必要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。
表1LD的P-I-V实验测试数据
I（mA）
0
3
6
9
12
15
18
U（V）
P（uW）
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。
表2LED的P-I-V实验测试数据
I（mA）
0
10
20
30
40
50
60
U（V）
P（uW）
5、调节温控器，升高LD的工作温度，重复实验步骤3，记录LD的P-I曲线和V-I曲线。
比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。
六、注意事项
1、恒功测量时，如果仅调节“粗调”旋钮，而“细调”旋钮在最小位置，将不一定能把LD输出功率调到足够大。
此时必须使用“细调”旋钮来把输出功率调大。
恒流测量时，调节“细调”旋钮无效。
2、插拔LD/LED之前，务必先把输出功率（粗调、细调）旋钮调到最小，然后关闭电源开关。
这是因为带电插拔LD/LED会造成LD/LED的劣化。
3、如果被测LD/LED过流，则Iop显示窗口读数为1。
说明此时Iop≥200mA，已超出本机的测量范围。
当LD/LED已经劣化时，这种情况常常出现。
此时请将输出功率（粗调）旋钮调回到最小位置，关闭电源。
4、在LD的P-I-V实验测中，电流值请勿超过40mA，以免烧坏元器件。
5、由于LD为静电敏感元件，因此操作者必须佩带防静电手腕，工作场所必须具备接地线，焊接用的烙铁必须具备ESD功能。
静电将造成LD的劣化，使得测量时出现Iop过流的现象。
另外，若LD的输出功率被调的过大，也容易损坏LD，出现LD过流的现象。
6、本机只能对以下两种结构的LD进行测量：
图9DVD、POINTER档区别图示
上面画出的两种激光器内的PD均为Nsidedown安装，本机不能用来测量Psidedown安装的激光器，否则会损坏激光器。
7、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。
七、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？
实验二光电二极管光照特性实验
一、实验目的
1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；
2、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。
二、实验内容
1、暗电流测试；
2、当光电二极管的偏置电压一定时，光电二极管的输出光电流与入射光的照度的关系测量。
三、预备知识
光生伏特效应：
光生伏特效应是一种内光电效应。
光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。
对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚集而产生电位差。
这种现象是最重要的一类光生伏特效应。
均匀半导体体内没有内建电场，当光照射时，因眼光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移率不相等，使两种载流子扩散速度的不同从而导致两种电荷分开，而出现光生电势。
这种现象称为丹倍效应。
此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势。
通常把丹倍效应和光磁电效应成为体积光生伏特效应。
四、实验仪器
1、光电探测原理实验箱一台
2、连接导线若干
五、实验原理
1、光电二极管结构原理
光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。
但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。
例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。
为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。
图2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c）和等效电路图（d）。
bc
图2.1
光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2.2，图中E为反向偏置电压），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。
它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。
光的照度越大，光电流越大。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。
因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。
图2.2
随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。
光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。
下面着重介绍硅光电二极管的结构及工作原理。
普通PN结硅光电二极管存在表面漏电流，为了减小表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环行PN结，给环行结称为环极。
在有环极的硅光电二极管中，通常有三根引出线：
环极、前极和后极。
通常环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正极，如图2.3。
由于环极电位高于前极在环极形成阻挡层阻止表面漏电流流过，可使得负载的漏电流很小（小于0.05μA）。
若不使用环极也可将其断开做为空脚。
硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。
采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。
由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。
所以在实际使用中入射光的对准是值得注意的问题。
采用平面镜作窗口，虽然没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰，在具体使用时，视系统的要求而定。
图2.3
2、光电二极管的基本光照特性
光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二极管的电流随之变化，并且光电流和照度成线性关系。
当没有光照射时，测得的电流为暗电流。
六、实验注意事项
1、光电二极管偏压不要接反；
2、若照度计或电流表显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试；
3、连线之前要保证电源关闭。
七、实验步骤
实验装置原理框图如图2.4所示。
图2.4
1、负载RL选择RL1=2.4K。
将面板上“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。
2、电流表档位调节至20μA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
打开电源开关，顺时针调节该旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入表2.1。
若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。
表2.1
光照度（Lx）
0
50
100
150
200
300
光生电流（μA）
3、将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。
4、作出零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。
5、将电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。
将“直流电源0-12V”端与电压表“＋”端用导线连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“－”端相连。
打开电源开关，顺时针调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为6.00V为止。
关闭电源开关，拆掉电压表两端与“直流电源”两端之间的连线，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。
6、将“直流电源0-12V”端（即图2.4中的Ui+端）与RL1相连，将“直流电源”接地端（即图2.4中的Ui-端）与电流表“－”端用导线连接。
将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置，打开电源开关，记下此时电流表的读数，即为暗电流值。
7、重复步骤2,将数据填入表2.2中。
作出在－6V偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。
表2.2
光照度（Lx）
0
50
100
150
200
300
光生电流（μA）
8、比较两条曲线的区别。
9、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
八、实验报告要求
1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出不同偏压下的照度—电流曲线图，并分析实验现象。
2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。
九、思考题
分析并比较零偏压和-6V偏压下光照度—电流曲线的区别，分析区别产生的原因。
实验三光电池特性实验
一、实验目的
1、加深对光电池的工作原理的理解；
2、进一步熟悉光电池的基本应用；
3、理解光电池的伏安特性并掌握其测试方法。
二、实验内容
光电池在照度一定的情况下的输出电流与电压随负载变化的关系测试。
三、实验仪器
1、光电探测原理实验箱1台
2、连接导线若干
四、实验原理
相同照度下，光电池的输出电流和电压会随负载的变化而变化。
五、实验注意事项
1、电压表选择2V档，电流表选择200μA档；
2、连线之前保证电源关闭。
六、实验步骤
实验装置原理框图如图5.1所示。
图5.1
1、负载选择RL1=2.4KΩ。
将“光电池电压输出＋”端与电阻RL1任一端连接，电阻RL1另一端与电流表“＋”端相连，电流表“－”端与“光电池电压输出－”端相连，再将电压表两端与“光电池电压输出”两端用导线相连接（注意极性不要接反）。
“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
将电压表选择2V档，电流表选择200μA档。
2、打开电源，将光照度调节至50Lx，记录电流表和电压表读数，填入表5.1。
3、将负载Ｒ换成分别换成RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为5.6KΩ、10KΩ、51KΩ和100KΩ，重复步骤1和2，分别记录电流表和电压表的读数，填入表5.1。
关闭电源。
表5.1
负载（Ω）
2.4Ｋ（RL1）
5.6Ｋ（RL2）
10Ｋ（RL3）
51Ｋ（R1）
100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（mV）
4、作出光电池的光生电流和光生电压随负载变化的V-I曲线。
5、改变光照度为100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤，分别填写表5.2、5.3和5.4。
6、比较四条曲线有什么不同，并分析原因。
表5.2
负载（Ω）
2.4Ｋ（RL1）
5.6Ｋ（RL2）
10Ｋ（RL3）
51Ｋ（R1）
100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（mV）
表5.3
负载（Ω）
2.4Ｋ（RL1）
5.6Ｋ（RL2）
10Ｋ（RL3）
51Ｋ（R1）
100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（mV）
表5.4
负载（Ω）
2.4Ｋ（RL1）
5.6Ｋ（RL2）
10Ｋ（RL3）
51Ｋ（R1）
100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（mV）
7、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
七、实验报告要求
1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各伏安特性曲线图，并分析实验现象。
2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。
八、思考题
对不同照度下的四条伏安特性曲线进行分析比较，看看有什么区别？
产生这些区别的原因是什么？
实验四光电探测器直流参数测试
一、实验目的
了解光电探测器直流参数与光波长的关系。
二、实验内容
测试PIN光电探测的暗电流与光谱响应曲线。
三、实验仪器
1、Si光电探测器1只
2、卤素灯光源1台
3、万用表2台
4、单色仪1台
四、实验原理
量子效率和暗电流是PIN光探测器性能的重要参数。
量子效率η的定义为在入射光的作用下，PIN管产生的电子－空穴对与入射光子数的比值。
它与材料的吸收系数α和吸收层的厚度有关。
Α越大，吸收层越厚则η就越高。
但是量子效率无法直接测量，一般是通过测量响应度R来描述的。
光谱响应是光探测器对单色入射光辐射的响应能力。
电压光谱响应度RV（λ）定义为在波长为λ的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示为：
而光电探测器在波长为λ的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电流叫做光电探测器的电流光谱响应度，用公式表示为：
式中，P（λ）是波长为λ时的入射光功率，V（λ）是光电探测器在入射光功率P（λ）作用下的输出信号电压。
I（λ）为输出信号电流。
为简单起见，电流光谱响应特性和电压光谱响应特性都简称为光电探测器的光谱响应特性。
显然，由于两者具有不同的量纲，在具体计算时应该区别对待。
图1光谱响应曲线
通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐照下，探测器输出的电信号。
然而，由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在测量时应该确定单色辐射功率P（λ）。
式中，C为真空中的光速，λ为入射光波长，e为电子电荷量，h为普朗克常数，响应度R定义为单位入射光功率作用到探测器后，在外电路产生的电流IP与入射光功率P的比值。
不同材料半导体探测器，对不同波长的入射光有不同的吸收系数，从而在规定的反向偏压下，不同波长的恒定功率入射光，可能产生不同的响应度。
波长与响应度的关系，即为光谱响应特性曲线，定义该曲线相应于峰值的10％处对应两个波长之间的间隔为光谱响应范围。
光探测器的暗电流为无光照入射时由光探测器自身热噪声所引起的光电流，记为Id。
五、实验步骤
本实验测试PIN光电探测器的暗电流与光谱响应曲线。
实验测试系统框图如下图：
R
+
光电探测器
-
图2光电探测器光谱特性测试框图
注意：
上图所示是给探测器加上反向偏置电压的测试框图，探测器加上反向偏置电压后可以提高灵敏度和信噪比，该反向偏置电压和电流表、限流电阻可以从配套产品光电探测原理实验箱上获得，学校也可以自己配置。
另外，本实验使用的光伏型探测器具有高灵敏度，低暗电流的特点，实验可以不加反向偏置电压。
1、开启直流电源，给PIN光电探测器加-5V的电压，记录电流表的读数，即为光电探测器的暗电流。
2、调节仪器的位置，使得单色仪的输出功率最大。
调节单色仪的输入、输出狭缝至0.04mm。
将PIN管对准单色仪的输出狭缝，记录此时PIN的光电流IP。
转动单色仪的鼓轮，改变单色仪的输出波长λ，每隔一定的波长记录相对应检测到的光电流IP（λ），直至光电流降为零。
表格1光谱响应测试数据
入射光波长λ/μm
光电流IP（λ）/mA
3、绘制波长-电流（I-λ）曲线。
说明：
实际的光谱响应曲线是R-λ曲线，而
，P为光功率。
由于光功率P值很小，要测量该值对设备要求很高，本实验不能对光功率进行测量，所以本实验只要求测量I-λ曲线。
六、思考题
1、加反向偏置电压为什么可以提高探测器灵敏度？
2、暗电流对于测试结果有何影响？
实验五电光调制实验
一、实验目的
1、了解铌酸锂电光调制器的结构和工作原理；
2、掌握此调制器的使用方法；
3、学习此调制器的典型运用。
二、实验内容
组装电光调制实验装置，调节最佳工作状态，观察实验现象。
三、实验仪器
1、铌酸锂电光调制器1套
2、起偏器1个
3、检偏器1个
4、1/4波片1个
5、He-Ne激光器（带电源）1台
6、光电探测器1个
7、ZY60电光调制器信号源1台
8、20MHz模拟双踪示波器1台
四、实验原理
电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。
用来作为调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向进行切割成长方形或圆柱形等形状。
当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能是线性效应（普克尔效应），也可能是平方效应（克尔效应）。
加电场的方向通常有两种方式：
一是
升级会员 