光纤通信技术实验报告.docx

1、光纤通信技术实验报告光纤通信技术实验报告 电路图光发送模块光接收模块编码模块译码模块实验一 半导体激光器的P-I-V特性曲线测试一、实验目的 通过测试LD的P（平均发送光功率）-I（注入电流）特性曲线和V（偏置电压）-I特性曲线，计算阈值电流（Ith）和斜率效率，掌握LD半导体激光器的工作特性。二、实验仪器1、光发送模块 1只3、编码模块 1台4、光功率计 1台5、万用表 1台6、示波器 1台 7、跳线 若干三、实验原理半导体发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发光过

2、程主要对应光的自发发射过程。半导体发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器则是通过受激辐射发光，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El，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。半导体激光二极管作为激光器的一种，同样

3、也必须满足粒子数反转和光反馈两个要求。其使用的方法是向P型和N型限制层重掺杂，使费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转。再利用与PN结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔，进行光放大，输出激光。半导体激光器在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。当外界给系统提供能量时，如采用电流注入（即电泵），打破热平衡状态，随着注入电流的增加，半导体二极管渐渐地增加自发发射，当大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，开始受激发射开始占主导地位。在光束发射方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量。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

4、具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如下图所示：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，即PI曲线表示。图1-2 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Ith，输入电流IIth部分，P-I曲线才

5、近似成线性关系，P增大的速率即曲线的斜率，称为斜率效率，此时LD发光是由受激辐射产生的激光。而在IIth部分，LD输出的光功率较小，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

6、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，阈值电流10mA左右。 图1-5 LD部分电路截图图1-6表示的是Imod和Ibias对输出光功率的影响，编码模块提供的Imod调制信号相同的前提下，当Ibia

7、sIth时，此时激光器工作在线性状态，输出的光功率幅值会较大，我们可以把光信号接到光接收模块，将光信号转化为电信号，通过示波器观察波形变化。 图1-6 Ibias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

8、.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)。001 PN码输出档 SMA301输出16位的PN码（伪随机码）。010 CMI译码输出档 SMA301输出为由001状态下的PN码变换成的CMI 码。011 16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。100 8位手动码输出档

9、SMA301输出拨盘开关S302编制的8位手动码。101 8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。111 低电平档 SMA301输出低电平。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

10、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

11、，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

12、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1I(mA)12345678Vr(V)0.10.20.30.40.50.60.70.8U(V)0.7540.7980.8520.8480.8680.8850.9030.919P（mW）0.000030.000090.00020.00030.00040.00050.00080.0016P（dBm）-46.58-41.31-38.76-36.79-35.07-33.44-31.56-28.20I(mA)910111213141516Vr(V)0.91.01.

13、11.21.31.41.51.6U(V)0.9330.9460.9570.9690.9830.9931.0051.016P（mW）0.00780.06540.1260.1850.250.310.3540.411P（dBm）-21.55-12.64-9.68-8.03-6.74-5.93-5.22-4.57I(mA)17181920Vr(V)1.71.81.92.0U(V)1.0291.0411.0521.06P（mW）0.4720.5270.5790.632P（dBm）-3.97-3.50-3.09-2.7 2、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:(1)用电缆线连接编码模

14、块SMA301与光发送模块SMA101，取下法兰盘上的保护套，将光发送模块LD尾纤的连接器接入法兰盘的一端，法兰盘另外一端与光接收模块PD尾纤连接器相连。光接收模块测试点T201连接到示波器。(2)给编码模块、光发送模块、光接收模块三个模块上电。(3)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SM(4)A301输出低电平，顺时针旋转电位器WMOD到底,使调制电流为0。(5)顺时针旋转电位器WBIAS到底，使偏置电流为0（可通过测量电阻RU204电压值判断是否调0）。(6)控制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，此时从SMA301输出约为5V的CMOS高电平。(7)调节光发送模块可变电阻器WMOD,使R106两端T106与T104之间电压值Vr为表2中所示值，计算可得到此时调制电流值Imod=Vr/100。(8)将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,此时SMA301输出Vp-p=5V的方波。调节示波器，观察输出信号波形变化，并记录此Imod条件下Vp-p的大小。(9)重复步骤（5）、（6）、（7），改变Imod的大小，测试不同Imod情况下，波形Vp-p的大小，完成表2。表2Vr(V)2.0001.80