光纤通信技术实验报告Word文档格式.docx
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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
4
图1-1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V。
T
(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,即P—I曲线表示。
P
LDLEDPthIIth
图1-2LD/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4中可以看出LD的P-I曲线起始部分增益很小,达到一定条件增益变大,我们称这个出现竟增益的条件为阈值条件,也即阈值电流I,输入电流thI>
I部分,P-I曲线才近似成线性关系,P增大的速率即曲线的斜率,称为斜率th效率,此时LD发光是由受激辐射产生的激光。
而在I<
I部分,LD输出的光功th率较小,此时主要是自发辐射为主。
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I尽th可能小,I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th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,阈值左右。
电流10mA
5
图1-5LD部分电路截图
Imod编码模块提供的IbiasImod和对输出光功率的影响,1-6图表示的是时,激光器增益很小,所以输出的光功率调制信号相同的前提下,当Ibias<
Ith时,此时激光器工作在线性状态,输出的光功率幅幅值会比较小;
当Ibias>
Ith通过示将光信号转化为电信号,值会较大,我们可以把光信号接到光接收模块,波器观察波形变化。
6
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。
7
输出低电平。
SMA301低电平档111
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
8
8
6
7
5
4
I(mA)123
Vr(V)
0.8
0.6
0.5
0.4
0.10.20.30.7
0.9190.8850.9030.8480.754U(V)0.7980.8520.868
0.00160.00050.00040.0008m0.000030.000090.00020.0003
-28.20-36.79-41.31-38.76-35.07-33.44-31.56-46.58dB
1613I(mA)91011121415
1.61.11.41.21.31.50.9Vr(V)1.0
1.016U(V)0.9330.9460.9570.9930.9690.9831.005
0.4110.310.3540.0078m0.06540.1260.1850.25
-6.74-9.68-5.93-21.55-5.22-8.03dB-12.64-4.57
201718I(mA)19
1.82.01.7Vr(V)1.9
1.0521.061.029U(V)1.041
0.527
0.632
0.579
m0.472
dB-3.50
-3.97
-3.09
-2.7
:
、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2
取下法兰盘上的保,与光发送模块SMA101
(1)用电缆线连接编码模块SMA301尾纤的连接器接入法兰盘的一端,法兰盘另外一端与光LD护套,将光发送模块连接到示波器。
尾纤连接器相连。
光接收模块测试点T201接收模块PD给编码模块、光发送模块、光接收模块三个模块上电。
(2)——低位拨到111、67、8(3)编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1、第SM
电平输出档,此时0。
WMOD到底,使调制电流为(4)A301输出低电平,顺时针旋转电位器RU2040(可通过测量电阻顺时针旋转电位器WBIAS到底,使偏置电流为(5))。
电压值判断是否调0——110、8位拨到位置1,第6、7S301(6)控制编码模块蓝色拨盘开关第1高电平。
的CMOS输出约为高电平输出档,此时从SMA3015V之间电压值T104T106与调节光发送模块可变电阻器WMOD,使R106两端(7)Imod=Vr/100。
Vr为表2中所示值,计算可得到此时调制电流值位置000、8位拨到、第1位置1,第67将编码模块蓝色拨盘开关(8)S301观察输出信号调节示波器,Vp-p=5V的方波。
——方波输出档此时SMA301输出Vp-p的大小。
波形变化,并记录此Imod条件下情况下,Imod的大小,测试不同7(),改变Imod、6、5(9)重复步骤()()。
2Vp-p波形的大小,完成表9
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
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
10
8
6
4
2
0.4
0.25
0.04
0.03
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)2.0001.8001.6001.4001.200
121620Ibias(mA)1814
430450470)(Vp-pmV450450
01
2410Ibias(mA)86
120
(Vp-pmV)300
400
360
220
五、实验报告要求特性曲特性曲线。
根据所画出的P-IP-I画出LD的特性曲线和V-I1、的大小,求出半导体激光I找出半导体激光器阈值电流线,参照图1-4th器的斜率效率。
I=9Ma,P-I特性曲线图可知,半导体激光器阈值电流有th
K=0.63-0.08/20-10=0.057斜率
、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。
,图如11
的阈值电流,开启后呈线性关系存在7V
观察调制电流为零时,改变偏置电流对输出光波形的影响。
、3
开始是上升比较快,最后缓慢。
六、思考题LED不同。
、为什么激光二极管的特性曲线与1激光二极管存在损耗和的原理不同,答:
激光二极管的工作原理与LEDLED而增益,当增益大于消耗是就会形成线性关系,增加的速度比较快。
的发光与半导体电流关系类似。
LD的偏置电流的作用是什么?
2、电流越PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转,答:
费米能级间隔在部分,I>
I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thI<
I发光是由受激辐射产生的激光。
而在LDP-I曲线才近似成线性关系,th输出的光功率较小,此时主要是自发辐射为主。
所以偏置电流LD部分,LD工作在产生激光的线性曲线的合适电流。
就是可以使21
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
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。
13
模拟光发送调制度测试框图图2-1
有两组拨盘开在实验板编码模块,平均发送光功率测试框图如图2-1所示。
;
红可以控制输出不同的编码S301(实验一有详细介绍)关,蓝色8位拨盘开关位可控编码位,可以根据自己需要获和S303)提供16色16位拨盘开关(S302,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Ibias和Imod比。
,首先将光发送端机的输入信号断掉(即不给光发射消光比的测试如图2-1”时的光,即对应的输入数字信号为全“0模块送电信号),测出的光功率即为P00P时,编码模块通过控制拨盘开关送入伪随机码。
因为伪随机码的功率。
测量11”码时的光功率应是伪随机码时平均光”码等概率,所以,全“1“0”码和“1,则消光比为:
的两倍,即功率PP=2P11P00)1(2-?
EXTP2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:
P11lg10EXTdB)?
(-(22)P00dB。
时,P=0.1PEXT=10当1100两种码用于测试,在测量平均光功率时需要说明CMI本实验提供PN码和
两点:
(微瓦)应换算μWmW⑴有的功率计可直接读dBm,若只能读(毫瓦)或dBm,成41
毫瓦值dBmlgP?
10毫瓦1测试应在正常工作的注⑵光源的平均输出光功率与注入它的电流大小有关,入电流条件下进行。
四、实验步骤分别把调制电流和偏置和偏置电流Ibias,首先我们需要调节调制电流Imod码输入的情况下,激光的平均CMI的数值,然后分别观察PN码和5电流调为表和偏Imod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,进行下一组的测量。
其具体步骤如下:
置电流Ibias的设置Imod与偏置电流Ibias1、调制电流连接,并给两模块上电。
SMA301与光发射模块SMA101
(1)将编码模块到底,此时偏置电流被置为零。
2)顺时针旋转光发送模块电位器WBIAS(——1108位拨到,第6、7、(3)将编码模块拨盘开关S301第1位拨到1高电平信号。
的CMOS高电平输出档,此时SMA301输出一个约为5.0V,黑表T1064)数字万用表拨到直流电压档,红表笔接光发射模块测试点(串联,(此电阻与激光器LDT104,实时监测电阻RU106=100欧姆两端电压。
笔接流过电阻的电流即为注入激光器电流)。
流电调4中制万用表读数为表位(5)调节电器WMOD,使数字。
Imod*100mV=1V——低电1118位拨到61,第、7、6()编码模块拨盘开关S301第1位置接下来调节偏置,SMA301输出低电平,这样调制电流就被置零平输出档。
(此时。
电流)中偏置电流,使数字万用表电压读数为表4)调节电位器WBIAS(7Ibias*100mV。
码在此调制电流和码与CMI此时偏置电流也调节完毕,接下来分别测试PN偏置电流状态下的平均输出光功率。
、平均输出光功率测试2尾纤的连接器中取出保护塑料套,接入光功率计,LD8)从光发送模块的(P的输出光功率。
此时从光功率计读出的功率就是光端机的LD——位拨到位置00186位置1,第、7、1S3019()编码模块拨盘开关第4。
,填入表PPN码输出档。
读出此时平均输出光功率PN51
(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P,填入表4。
CMI
测试完一组Ibias和Imod对应的P和P,先不着急改变电流,继续CMIPN进行消光比的测试。
表4
Imod(mA)1010101010101010
8273561Ibias(mA)4
-5.08-8.98-6.06-8.07(PdBm)-10.16-5.56PN-5.25-9.12)(dBm-10.24-5.74-8.25-6.27PCMI10Imod(mA)1010101010(IbiasmA)9-4.01-4.61)(PdBmPN-4.15
-4.74)(PdBmCMI
-7.28-6.68-7.48-6.88101010121113-2.95-2.48-2.61
-3.09
161415
-1.37-3.43-2.08-1.72-1.49-3.57-1.84-2.21
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P。
填入表5。
00(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P将P*2就得到P。
11PN,PN(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
86712mAIbias()345
-28.16
-32.69
-30.50
dBm()P-45.16
-40.44
-37.98
-36.03
-34.44
0016
-10.16-11.12-12.12-16.14-14.56-13.36-17.96P(dBm)-20.3211-4.43-3.72-4.31-3.53-3.94-4.37-4.11EXT-3.47
10101010101010Imod(mA)10161411101512Ibias(mA)139
-3.77-8.86-4.42-11.93)P(dBm-7.27-5.15-6.04-22.2300-2.74-5.90)-6.86-3.44-8.02-4.16-4.96-9.22(PdBm11-1.39
EXT
-0.93
-1.09
-1.11
-1.72
-0.91
-3.82
-0.86
五、实验报告要求码发送机平均功率。
表示所测得的2MPN1