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1、 实验一 半导体激光器P-I特性测试验一、 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、 实验仪器1. ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱台2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC单模光跳线根4. 万用表1台5. 连接导线 20根三、 实验原理 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，（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
2、。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。）是一种阈值器件。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3050，水平发散角为030），与单模光纤的耦合效率高（约3050），辐射光谱线窄（0.11.0nm），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。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
3、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。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，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，当输入电流小于Ith时，其输出光
4、为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。该实验就是对该线性关系进行测量，以测试半导体激光器的P-I线性关系。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。半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。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
5、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。I(mA)P(mW)Ith图1-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图四、 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PI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。五、 实验步骤及结果1. 将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。2. 用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（VI
6、R110）。经实验测得 R110=1.83. 拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310。4. 旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）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。5. 连接导线：将T502与T101连接。6. 连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。7. 用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。8. 慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表
7、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。9. 做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。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。11. 将各仪器设备摆放整齐。六、 实验报告1. 根据实验记录数据，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。(测得电阻为1.0)U（mV) 1 2 3 4 5 6 7I(mA)1234567P(uW)0.08197.3541.3069.0101.7130.1163.06P(dBm)-41.04-21.49-13.89-11.57-9
8、.98-8.84-7.89U（mV) 8 9 10 12 14 16 18I(mA)891012141618P(uW)191.6219.4248.9313.8377.3438.9490.6P(dBm)-7.18-6.58-6.01-5.01-4.23-3.58-3.11U（mV) 20 22 24 26 28 30 32I(mA)20222426283032P(uW)531.7574619677732802858P(dBm)-2.68-2.41-2.09-1.71-1.35-0.96-0.642. 根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小。3. 根据P-I特性曲线，求出半
9、导体激光器的斜率效率。七、 注意事项1. 半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。2. 由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌用力过大。八、 思考题1. 试说明半导体激光器发光工作原理。 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。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，（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
10、辐射2. 环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？ 随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。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。 当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。，激光器发射普通的荧光。随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。只有当注入电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。九、 实验感想在这次实验中，
11、我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。本次得到的数据还需要一些实际情况的修正，还有需提到的是本次设计未涉及到具体的施工以及天线部分具体的架设，网络传输系统的具体结构以及线路的铺设上。最后再次我深深体会到科研的艰苦，理论上虽然成功，但实践不一定能成功，心中不由自主的对我国广大的科研人员生出无限的敬佩之情。实验二 数字光纤通信系统线路编译码实验一、实验目的1、了解线路码型在光纤传输系统中的作用2、掌握线路码型CMI码的编译码过程以及电路实现原理二、实验仪器1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱 1
12、台2、20MHz双踪模拟示波器 1台3、FC-FC单模光跳线 1根4、连接导线 20根三、实验原理接口码型HDB3码虽然有很多优点，如功率谱中无直流分量，高低频成分少，定时信息丰富，有利于定时提取等，但它不能在光纤中传输，当通过接口码型变换电路将其变换为PCM码后，虽然能在数字光纤通信系统中传输，但在实际的数字光纤通信系统中并不采用这种码型。本实验阐述了适合数字光纤通信系统所采用的三种线路码型：伪双极性码；mBnB码；附加奇偶位码。还说明了线路码相对于接口码型的优点，并将一基带信号NRZ码变换为有利于数字光纤通信系统传输的线路码型：伪双极性码、mBnB码。由于 CMI 码有很多优点，它既为我国
13、数字通信标准制式所规定的两种接口码型之一，又是数字光纤通信系统中所采用的线路码型，它既属于伪双极性码又属于 mBnB 码（1B2B 码）。所以，本实验中的线路码型就采用 CMI 码。CMI 码为信号反转码（Code Mark Inversion），是一种二电平不归零码，是 PCM 四次群的线路传输码型，也就是四次群数字光纤通信设备与四次群 PCM 设备之间的接口码型。1、CMI 码的特点A. CMI 码编译电路简单，便于设计与调试。B. CMI 码的最大连“0”和连“1”都是 3 个C. 具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传输中的误码监测。D. CMI码功率谱中的
14、直流分量恒定，低频分量小，fr（变换前的码速率）频率处有限谱，频带较宽，便于定时提取。E. CMI 码的速率是编码前信号速率的两倍。2、CMI 码的编码规则A. 对于二进制“0”被编码成为前后得A1和A2（A1为“0”电平，A2为“1”电平）两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“01”码。B. 对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。A1或A2都占满了一个单位时间间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电平相互交替。这也就是前一个二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一个二进制“1”就编A2，反之，前一个二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一个二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号相互交替。3、CMI 码编码电路的方式。CMI编码电路比较简单，CMI 码的编码规则是将二值码 NRZ 序列中的“1”和“0”状态进行分离，然后按各自的编码规则进行编码，最后由这两种状态的编码合成输出就成为CMI 码。4、CMI 译码电路CMI 译码不采用 CMI 编码逆变换，而是采用延时 CMI 码 T/2（即半比特时间）然后相加，
