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
(3)光谱特性。 由于半导体材料的特殊电子结构,受激复合辐射发生在能带(导带与价带)之间,所以激 光线宽较宽,GaAs激光器,室温下谱线宽度约为几纳米,可见其单色性较差。输出激光的峰值 波长:77K时为840mm:300K时为902nm。 3.半导体激光器的调制特性 激光具有极好的时间相干性和空间相干性,它与无线电波相似,易于调制,且光波的频率 极高,能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小,光能高度集中,既能传输较远距离,又 易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。 我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制,把完成这一过程的装置称为激 光调制器,由已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调。由于激光起到“携带” 信息的作用,所以称其为载波。通常将欲传递的信息称为调制信号。被调制的激光称为已调波 或调制光。 激光调制与无线电波调制相类似,激光振荡的瞬时电场也可表示为: e(tAcos( wt+v) 式中A为激光振荡的复振幅,w为调制的角频率,ψ为调制的相位角。模拟激光调制可分 为调幅、调频和调相等类型。按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲 编码调制等。脉冲调制主要分为脉冲调幅(PAM)、脉冲强度调制(PIM)、脉冲调频(PFM) 脉冲调位(PPM)及脉冲调宽(PwM)等类型。脉冲编码调制(PCM)是先将连续的模拟信号 通过抽样、量化和编码,转换成一组二进制脉冲代码,用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无 来表示,再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调制器上以控制激光的输出。这种 调制形式也称为数字强度调制(PCM/IM)。 激光调制分为直接调制和间接调制两类。 间接调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的,即调制器置于激光谐振腔外,在调制 器上加调制信号电压,使调制器的某些物理特性发生相的变化,当激光通过它时即得到调 所以外调制不是改变激光器参数,而是改变已经输出的激光的参数(强度、频率等)。由于内调 制在波长上引入啁啾,所以外调制是当前人们较重视的一种调制方法。激光间接调制的方法由 调制器依据的原理不同常分为电光调制、声光调制、磁光调制、干涉调制等 直接调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行, 以调制信号的规律去改变振荡的参数,从而达到改变激光输出 特性实现调制的目的。例如通过直接控制激光泵浦源来调制输 出激光的强度。内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件,用 信号控制调制元件,以改变谐振腔的参数,从而改变激光输出 特性实现调制。直接调制的基本机构如右图 由于直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点,是低速光纤通信中最常采用的调制 方式,但只适合用于半导体激光器和发光二极管,这是因为发光二极管和半导体激光器(对激 光器来说,阈值以上部分)基本上与注入电流成正比,而且电流的变化转换为光频调制也呈线 性,所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。直接调制会引入光源的啁啾,这在长途系
- 4 - （3）光谱特性。 由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激 光线宽较宽，GaAs 激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值 波长：77K 时为 840nm；300K 时为 902nm。 3．半导体激光器的调制特性 激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率 极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又 易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。 我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激 光调制器，由已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调。由于激光起到“携带” 信息的作用，所以称其为载波。通常将欲传递的信息称为调制信号。被调制的激光称为已调波 或调制光。 激光调制与无线电波调制相类似，激光振荡的瞬时电场也可表示为： e(t)=Acos(wt+ψ) 式中 A 为激光振荡的复振幅，w 为调制的角频率，ψ 为调制的相位角。模拟激光调制可分 为调幅、调频和调相等类型。按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲 编码调制等。脉冲调制主要分为脉冲调幅（PAM）、脉冲强度调制（PIM）、脉冲调频（PFM）、 脉冲调位（PPM）及脉冲调宽（PWM）等类型。脉冲编码调制（PCM）是先将连续的模拟信号 通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无 来表示，再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调制器上以控制激光的输出。这种 调制形式也称为数字强度调制（PCM／IM）。 激光调制分为直接调制和间接调制两类。 间接调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制 器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。 所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数（强度、频率等）。由于内调 制在波长上引入啁啾，所以外调制是当前人们较重视的一种调制方法。激光间接调制的方法由 调制器依据的原理不同常分为电光调制、声光调制、磁光调制、干涉调制等。 直接调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行， 以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出 特性实现调制的目的。例如通过直接控制激光泵浦源来调制输 出激光的强度。内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件，用 信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出 特性实现调制。直接调制的基本机构如右图。 由于直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点，是低速光纤通信中最常采用的调制 方式，但只适合用于半导体激光器和发光二极管，这是因为发光二极管和半导体激光器（对激 光器来说，阈值以上部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线 性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。 直接调制会引入光源的啁啾，这在长途系
统中会引入较大的色散,使传输质量变差,特别是在高速传输系统中,应尽量避免。 直接调制的原理图如下。 图5模拟信号工作在线性区 图6模拟信号工作在截至区 限流点 ∠ 图7模拟信号工作在饱和区 图8数字信号的工作状态 上图给出了直接光强度调制的原理示意图,其中纵坐标为半导体激光器输出功率,横坐标 为半导体激光器工作电流,每个图形下面的曲线是要调制的电流信号,右边是调制后输出的光 电流信号。图5是正常模拟信号传输时的工作状态,从图中可以看出输入信号和输出信号失真 度很小,注意这种状态下的工作点基本位于线性工作区的中间点。图6是工作在截至区的特性, 由于工作电偏低,所以有一部分信号畸变很大,造成信号失真。图7是工作在饱和区(注:任 何半导体激光都会有一个电流上限,从保护和激光器寿命的考虑,设计电路时限流点都会小于 这个电流上限的20~40%左右)。图8是数字信号传输的工作状态,在图1中,大家可以看到, 输入电流的最小值的时候,仍然有光输出,但是在数字电路中,如果“0”数据仍然有光输出, 那么在判别“1”和“0”的时候,可能就会引入误判断(技术上称作误码)。所以数字电路的工 作状态是“0”位于截至区附近(主要考虑下面几个方面:阑值附近可以大大减小电光延迟时
- 5 - 统中会引入较大的色散，使传输质量变差，特别是在高速传输系统中，应尽量避免。 直接调制的原理图如下。 上图给出了直接光强度调制的原理示意图，其中纵坐标为半导体激光器输出功率，横坐标 为半导体激光器工作电流，每个图形下面的曲线是要调制的电流信号，右边是调制后输出的光 电流信号。图 5 是正常模拟信号传输时的工作状态，从图中可以看出输入信号和输出信号失真 度很小，注意这种状态下的工作点基本位于线性工作区的中间点。图 6 是工作在截至区的特性， 由于工作电偏低，所以有一部分信号畸变很大，造成信号失真。图 7 是工作在饱和区（注：任 何半导体激光都会有一个电流上限，从保护和激光器寿命的考虑，设计电路时限流点都会小于 这个电流上限的 20～40%左右）。图 8 是数字信号传输的工作状态，在图 1 中，大家可以看到， 输入电流的最小值的时候，仍然有光输出，但是在数字电路中，如果“0”数据仍然有光输出， 那么在判别“1”和“0”的时候，可能就会引入误判断（技术上称作误码）。所以数字电路的工 作状态是“0”位于截至区附近（主要考虑下面几个方面：阈值附近可以大大减小电光延迟时 图 5 模拟信号工作在线性区 图 6 模拟信号工作在截至区 图 7 模拟信号工作在饱和区 图 8 数字信号的工作状态 限流点
间,同时使张驰振荡得到一定程度的抑制;较小的调制电流可以得到足够的输出光脉冲,从而 可以减小码型效应和结发热效应;低的消光比可以得到小的误码率;等等) 直接调制的带宽:因为半导体激光器的结电容特性,并不能像上面图中画的那样理想工作, 激光器对于不同的输入频率,响应并不相同,一般频率越高,输出的光强调制振幅越小。半导 体激光器的带宽定义为当输入信号的振幅相同的情况下,输出光强度调制是低频调制下振幅的 l/2时的频率,(现在最高速的调制是10GHz带宽,但我们实验中使用的PN结电容较大,所以 带宽为15KH左右) 三、实验装置 半导体激光器演示仪,函数信号发生器,示波器。 四、实验步骤 1.将工作点旋钮逆时针旋转到头(将工作点调整旋钮顺时针、逆时针轻轻一下,通过手感 可以判断是否达到,注意不要大力硬行旋钮。); 2.接通半导体激光器演示仪的电源 3.按调制选择按键(两次,开机默认为内调制),将半导体激光器调整到连续工作状态 4.顺时针调整工作点,记录多个状态下的电压、电流和功率值 v (mv) (mA)00.010.10.5 357 P (mW) 0.015 5.先将工作点旋钮逆时针旋转到最小,按光源选择按钮,选择另外一个LD进行测量。 6.将工作点旋钮逆时针旋转到最小 7.按调制选择按键,将半导体激光器调整到外调工作状态。 8.分别输入频率为IkHz,峰峰值为0.6ⅴ和4ⅴ的外调制信号,观察并记录两种情况时不 工作点下的输出信号的变化情况,并进行分析对比。参考表格如下(实验数据记录和结果分 析时无需列表,对相关内容用文字描述(可结合图形)记录下来即可)。 电 输出谷值、峰值和峰峰值的变化情况 原因和结论 k<I<I l3≤l<l4 结论 9.测量调制带宽。输入频率为200Hz,峰峰值为0.6V的正弦波信号,记录下激光器工作 在线性区时输出信号的峰峰值。增加输入频率,观测当输入信号振幅相同的条件下,输出振幅 下降到原输出振幅的1/2处的频率。 f0=200Hz VPP=O.6V =0.6V UIPP 0.SUoPP= 10.按调制选择按键,将半导体激光器调整到内调工作状态; l1.按频率选择按键,任意选择某一频率,调整工作点,观察并记录数字信号调制特性。 12.将工作电旋钮逆时针旋转到最小,关机 五、实验要求
- 6 - 间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制；较小的调制电流可以得到足够的输出光脉冲，从而 可以减小码型效应和结发热效应；低的消光比可以得到小的误码率；等等）。 直接调制的带宽：因为半导体激光器的结电容特性，并不能像上面图中画的那样理想工作， 激光器对于不同的输入频率，响应并不相同，一般频率越高，输出的光强调制振幅越小。半导 体激光器的带宽定义为当输入信号的振幅相同的情况下，输出光强度调制是低频调制下振幅的 1/2 时的频率，（现在最高速的调制是 10GHz 带宽，但我们实验中使用的 PN 结电容较大，所以 带宽为 15KHz 左右）。 三、实验装置 半导体激光器演示仪，函数信号发生器，示波器。 四、实验步骤 1．将工作点旋钮逆时针旋转到头（将工作点调整旋钮顺时针、逆时针轻轻一下，通过手感 可以判断是否达到，注意不要大力硬行旋钮。）； 2．接通半导体激光器演示仪的电源； 3．按调制选择按键（两次，开机默认为内调制），将半导体激光器调整到连续工作状态； 4．顺时针调整工作点，记录多个状态下的电压、电流和功率值。 V（mV） I（mA） 0 0.01 0.1 0.5 1 3 5 7 9 I1 …… P（mW） 0.015 5．先将工作点旋钮逆时针旋转到最小，按光源选择按钮，选择另外一个 LD 进行测量。 6．将工作点旋钮逆时针旋转到最小。 7．按调制选择按键，将半导体激光器调整到外调工作状态。 8．分别输入频率为 1kHz，峰峰值为 0.6V 和 4V 的外调制信号，观察并记录两种情况时不 同工作点下的输出信号的变化情况，并进行分析对比。参考表格如下（实验数据记录和结果分 析时无需列表，对相关内容用文字描述（可结合图形）记录下来即可）。 电流 输出谷值、峰值和峰峰值的变化情况 原因和结论 II4 结论 9．测量调制带宽。输入频率为 200Hz，峰峰值为 0.6V 的正弦波信号，记录下激光器工作 在线性区时输出信号的峰峰值。增加输入频率，观测当输入信号振幅相同的条件下，输出振幅 下降到原输出振幅的 1/2 处的频率。 f0＝200 Hz VPP=0.6V U0PP= f1＝ VPP=0.6V U1PP= 0.5U0PP= 10．按调制选择按键，将半导体激光器调整到内调工作状态； 11．按频率选择按键，任意选择某一频率，调整工作点，观察并记录数字信号调制特性。 12．将工作电旋钮逆时针旋转到最小，关机。 五、实验要求
通过作图,得到激光器阈值功率Ih 2.利用上面得到的结果,在记录下来的数据中选取三组计算功率效率和外量子微分效率(其 中波长近似等于650nm),并对结果进行分析。 3.对两个激光器的性能进行简单对比 4.分别对方波和数字信号的调制特性进行分析对比,并从物理意义和质量特性方面对调制 带宽的值进行简单的分析。 六、思考题 1.为什么模拟信号和数字信号的工作区不同? 2.为什么数字信号的带宽要小于模拟的数字带宽? 3.为什么理想的数字信号调制中,“0”工作在截至区附近? 注:因为电流电压放大器使用反向反馈电路,所以所有的信号都和输出信号反向。 实验2半导体激光泵浦固体激光器及其倍频和调Q 前言 半导体泵浦固体激光器( Diode-Pumped solid- state Laser,DPL),是以激光二极管(LD)代替闪 光灯泵浦固体激光介质的固体激光器,具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点,在光通信、 激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景,是未来固体激光器的发展方向。本实 验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术,以及其调Q和倍频的原理和技 实验目的 掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法 掌握固体激光器被动调Q的工作原理,进行调Q脉冲的测量: 了解固体激光器倍频的基本原理 实验原理与装置 半导体激光泵浦固体激光器工作原理 上世纪80年代起,生长半导体激光器(LD)技术得到了蓬勃发展,使得LD的功率和效率有 了极大的提高,也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比,DPSL
- 7 - 1．通过作图，得到激光器阈值功率 Ith。 2．利用上面得到的结果，在记录下来的数据中选取三组计算功率效率和外量子微分效率（其 中波长近似等于 650nm），并对结果进行分析。 3．对两个激光器的性能进行简单对比。 4．分别对方波和数字信号的调制特性进行分析对比，并从物理意义和质量特性方面对调制 带宽的值进行简单的分析。 六、思考题 1．为什么模拟信号和数字信号的工作区不同？ 2．为什么数字信号的带宽要小于模拟的数字带宽？ 3．为什么理想的数字信号调制中，“0”工作在截至区附近？ 注：因为电流电压放大器使用反向反馈电路，所以所有的信号都和输出信号反向。 实验 2 半导体激光泵浦固体激光器及其倍频和调 Q 前言 半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪 光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、 激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实 验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调 Q 和倍频的原理和技 术。 实验目的 掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 掌握固体激光器被动调 Q 的工作原理，进行调 Q 脉冲的测量； 了解固体激光器倍频的基本原理。 实验原理与装置 半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪 80 年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得 LD 的功率和效率有 了极大的提高，也极大地促进了 DPSL 技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL
的效率大大提高,体积大大减小。在使用中,由于泵浦源LD的光束发散角较大,为使其聚焦 在增益介质上,必须对泵浦光束进行光束变换(耦合)。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵 浦两种,其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器,具有体积小、结构简单、空间模式匹 配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦 合通常有直接耦合和间接耦合两种方式 直接耦合:将半导体激光器的发光面紧贴增益介质,使泵浦光束在尚未发散开之前便被增 益介质吸收,泵浦源和增益介质之间无光学系统,这种耦合方式称为直接耦合方式。 直接耦合方式结构紧凑,但是在实际应用中较难实现,并且容易对LD造成损伤。 间接耦合:指先将LD输出的光束进行准直、整形,再进行端面泵浦。常见的方法有 组合透镜系统聚光:用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合 自聚焦透镜耦合:由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合,优点是结构简单,准直光斑的大 小取决于自聚焦透镜的数值孔径 光纤耦合:指用带尾纤输岀的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直,压缩发散角,然后采用组合透镜对泵浦 光束进行整形变换,各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜,耦合效率高。本实验的压缩和耦合如 图2所示。 激光晶体 LD组合透镜激光晶体 LD自聚焦透镜激光晶体LD光纤 激光晶体 图1半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式 1直接耦合2组合透镜耦合3.自聚焦透镜耦合4.光纤耦合 快轴准直 光纤微透镜 回冒 电源 散热片LD耦合系统 Nd: YAG TEC和 图2本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图 激光晶体
- 8 - 的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源 LD 的光束发散角较大，为使其聚焦 在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵 浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹 配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦 合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增 益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。 直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对 LD 造成损伤。 间接耦合：指先将 LD 输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大 小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的 LD 进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦 光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如 图 2 所示。 图 1 半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式 1.直接耦合 2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合 4.光纤耦合 图 2 本实验 LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图 激光晶体
