20##-2013学年春季学期
【COE9340】光纤通信技术及应用
实验名称： 半导体激光器p-I特性测试
学生实验报告
一、实验目的
⒈ 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
⒉ 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
⒊ 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、ZY120FCCOM23BH1型光纤通信原理实验箱 1台
2、FC接口光功率计 1台
3、FC-FC单模光跳线 1根
4、万用表 1台
5、连接导线 20根
三、实验原理
半导体激光二极管通过受激辐射发光，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30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），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，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。
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输数据的质量，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，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。
四、实验步骤
⒈ 用电线链接电终端模块。
⒉将开关BM1拨为1310nm，将开关K43拨为数字，将电位器W44逆时针旋转到最小。
3.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。
4.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（V＝I×R110）。
5.将电位器W46逆时针旋转到底。
6.打开直流电源，指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
7.用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。
⒏ 慢慢调节电位器W44，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。
⒐ 做完实验后先关闭光发模块电源，然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。
⒑ 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。
五．实验数据记录：
I=U/R110
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。
⒉ 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。
Ith=2.5mA
⒊ 根据P-I特性曲线,求出半导体激光器的斜率。
K=
=0.0092W/A
实验结果分析：
将上表所得实验结果进行分析，绘制P-I特性曲线可得其阈值电流大概在2.5mA左右，同时也可以得到P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流尽可能小，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。
六．思考题回答
1.半导体激光器发光工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡。
2.激光器的阈值电流随温度升高而增大，外围分子量效率随温度升高而减小，温度升高时，电流增大，外围分子量效率减小，输出光功率明显下降.
3.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尽可能小，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。
第二篇：光纤熔接实验报告
【实验步骤及过程记录】
1、使用光纤剥线钳剥除2cm左右的光纤被覆，光纤剥线钳上有3个钳孔，孔径尺寸由大至小分别用于剥除光纤的塑料保护层、光纤的被覆以及树脂涂层。在剥除时，注意将光纤置于刀孔正中间，防止光纤折断或扭曲；此外光纤应尽量保持平直，避免过度弯曲裸光纤，从而导致光纤变形影响熔接参数。（剥线钳可以适度倾斜，方便快速剥除被覆等）
2、用蘸有酒精的镜头纸擦净光纤，去除光纤表面的被覆残留。擦拭时应注意避免重复污染，擦拭干净后不能再触碰裸光纤。
3、按步骤用光纤切割刀切断光纤。光纤切割刀的截面如图所示。将清洁后的裸光纤放置在光纤切割刀中较小的V型槽中（如果固定端有被覆，应置于较大槽内），保持光纤与刀片垂直。切断后的裸光纤不能再触碰或者切割。（注意光纤碎屑要统一集中处理）
图1 光纤切割刀示意图
将切割好的光纤断面拿到电子显微镜下观察其端面，用CCD捕捉拍摄结果如下图，由于这个步骤仅用来观察断面大致是否均匀，精细参数仍需要用熔接机测定，故实验过程仅拍摄一两张断面放大图像。
图2 光纤切断面显微图像
由于光纤断面人为将其略向上扬地放在载物台上，切割良好的画面应该是断面略微向外均匀凸起，边缘明暗较均匀。
4、打开ETK9724098 Type-36型光纤熔接机的顶盖，把LCD显示屏竖起后，接通熔接机的电源，把开关置于AC档 ；屏幕上显示“熔接方式菜单”，设定为“自动方式”；“熔接条件”设定为“SMF”； “选项”的第一个副菜单为放电时间设定，第二个为数据存储方式选择，这两个选项是根据光纤类型默认设定的。
图3 熔接机截面图和正确放置光纤的方法
5、参数调整完毕，打开防风盖将处理好的光纤放置于熔接机的V形槽中。注意放置光纤时手尽量不触碰光纤和熔接机核心部件，而且两端光纤不能伸过尖端电弧，否则熔接时出现“距离错误”，正确放置方式如下图所示。光纤平整放置后，盖好防风盖和顶盖。
6、按下“SET”键，熔接机开始自动熔接。从屏幕中可以看到，熔接机将两根光纤在水平和垂直两个方向进行准直和方位对准（X、Y方向），然后进行距离调整。若两端面放置距离过大，则熔接机将会停止熔接并发出警告。若光纤在V形槽内时碰触到边缘或处理不干净时，往往会在光纤端面处沾有灰尘，熔接机将使用瞬间电弧放电清除端面灰尘，然后再作端面检查，若仍留有灰尘，同样会有错误提示。
7、光纤熔接完成后，数据会自动保存，打开防风盖取出光纤，注意用力不能过猛防止刚熔接上的光纤断点裂开。同步骤3，将光纤接续点置于电子显微镜下观察，并用CCD捕获图像，对比不同实验得到的光纤熔接点（损耗不同）图像区别。
8、将热保护套管套住接续点，置于内置的加热补强器中加热1min左右。为了对光纤熔接点进行加强保护，需要使光纤被覆与管中的金属棒有接触，这就要求在剥除光纤时，长度要控制在2~3cm，不能过长或过短。加热完毕后，稍待冷却后再取出光纤。
9、 关闭熔接机、显微镜电源，清理光纤碎屑。
【数据处理与分析】
进入数据存储界面并读取内存数据，可以得到前后3次熔接光纤的各种参数，其结果如下表。
表1 光纤熔接结果参数
注意：实验1、2使用的裸光纤芯径为10
，由于光纤不足，向老师要求补充，实验3使用的材料芯径为5。同一种光纤纤芯左右略有区别，这个是实验不可控因素，即光纤本征因素。
结果分析：
1、熔接参数中最为关键的是“损耗”，其余参数都是一定程度上影响着损耗，专业实验要求做出损耗为0.01dB以下的熔接点。实验可知，第三次实验所得参数最为理想，损耗低至0dB，符合实验要求。由于仪器测量损耗精度为0.01dB（1%），不难想象实际损耗并不为零。
2、从表中可以看出，实际上熔接光纤的切断角、偏心量等与光纤熔接损耗并没有明显关联，而变形量和偏轴量相对影响程度较大。比较不同直径的光纤熔接参数可以发现，实验3的直径较小，而切断角、偏心量等值较大，但损耗却最小，这与光纤的制作工艺，出场参数和质量也有关系。
补充：熔接光纤各参数意义如下图所示：
a 切断角 b 变形量
c 偏轴量 d 偏心量
图4 熔接光纤部分参数示意图
3、从参数的示意图看出，变形量以及偏轴量都直接对光纤熔接部位的变形程度进行描述。相反当切割光纤时引入切断角较大，即端面不够垂直或者不平整，在电弧熔接时也可被熔接得较为平整；偏心量与光纤放置在V形槽中位置有关，但偏心量较大时，熔接机会自动调整，而使两光纤中轴尽量对齐。故变形量和偏轴量直接影响光纤损耗，其余参数主要影响两者进而影响损耗的或者说影响程度较小。
将第一次损耗为0.01dB和第三次损耗为0dB的熔接点显微图像进行对比如下：
图5 光纤熔接点显微图像（左侧损耗为0.01dB,右侧为0dB）
可观察到在熔接损耗较大的熔接点附近光纤边缘有明显变形和偏轴甚至锯齿，而损耗较小的熔接点附近光纤边缘很平整。与实验分析一致。
【思考题】
1、什么因素可能影响光纤的接续损耗？如何减少插损？
答：光纤接头处的熔接损耗与光纤的本身以及现场施工有关。
影响光纤熔接损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。
1、光纤本征因素是指光纤自身因素，主要有四点。
（1）光纤模场直径不一致；
（2）两根光纤芯径失配；
（3）纤芯截面不圆；
（4）纤芯与包层同心度不佳。其中光纤模场直径不一致影响最大，按CCITT(国际电报电话咨询委员会)建议，单模光纤的容限标准如下：
模场直径：（9~10μm）±10％，即容限约±1μm；
包层直径：125±3μm；
模场同心度误差≤6％，包层不圆度≤2％。
2、影响光纤接续损耗的非本征因素即接续技术。
（1）轴心错位：单模光纤纤芯很细，两根对接光纤轴心错位会影响接续损耗。当错位1.2μm时，接续损耗达0.5dB。
（2）轴心倾斜：当光纤断面倾斜1°时，约产生0.6dB的接续损耗，如果要求接续损耗≤0.1dB，则单模光纤的倾角应为≤0.3°。
（3）端面分离：活动连接器的连接不好，很容易产生端面分离，造成连接损耗较大。当熔接机放电电压较低时，也容易产生端面分离，此情况一般在有拉力测试功能的熔接机中可以发现。
（4）端面质量：光纤端面的平整度差时也会产生损耗，甚至气泡。
（5）接续点附近光纤物理变形：光缆在架设过程中的拉伸变形，接续盒中夹固光缆压力太大等，都会对接续损耗有影响，甚至熔接几次都不能改善。
3、其他因素的影响。
接续人员操作水平、操作步骤、盘纤工艺水平、熔接机中电极清洁程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等均会影响到熔接损耗的值。
减少插损的方法有
（1）选用品质较高的合格光纤。
（2）实验过程不随意弯曲光纤，保持实验环境整洁，尤其是切割刀和熔接机电弧放电机构部分；光纤严格用酒精清洁。
（3）实验者熟悉操作流程，放置光纤的过程不能再次污染光纤和仪器。
（4）光纤的断面切割要整齐，要求放置光纤时需要严格置于V形槽内，加紧再垂直切割等。
2、光纤熔接机的基本原理。
答： 光纤熔接机由以下4部分组成：
（1）光纤的准直与夹紧机构
光纤的准直与夹紧结构由精密V型槽和压板构成。精密V型槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移。
（2）光纤的对准机构
要对准两条光纤，每条光纤需要6个自由度。将光纤在准直与夹紧机构内的一段光纤作为对象分析，并把光纤的放置方向定为Z方向，即有以下6个自由度影响光纤的位置：X，Y，Z三个方向的平移自由度和绕X，Y，Z三个方向旋转的自由度。
（3）电弧放电机构
熔接机的电弧放电由两根电极完成。熔接机的放电电流和放电时间均可以调节。
（4）电弧放电和电机驱动的控制机构
驱动机构由丝杆和步进电机构成。为了实现光纤的对准过程，使V型槽可以在X、Y、Z三个方向上平动。
3、显微镜的工作原理与操作；CCD的使用。
答：显微镜的工作原理：
显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。其中物镜的作用是将标本作第一次放大，它是决定显微镜分辨力高低的最重要部件；目镜的作用是将已被物镜放大的，分辨清晰的实像进一步放大，达到人眼能容易分辨清楚的程度。聚光镜的作用相当于凸透镜，起汇聚光线的作用，以增强视野的照明；反光镜的作用是由光源发出的光线或天然光射向聚光器。当用聚光器时一般用平面镜，不用时用凹面镜；当光线强时用平面镜，弱时用凹面镜。
显微镜的操作：
1． 调节亮度：由暗调亮，可以用大光圈，凹面镜，调节反光镜的角度。
2． 将光纤放入观察位置。
3． 低倍物镜对准通光孔，使用粗准焦螺旋将镜筒自上而下的调节，让物镜靠近物体，避免物镜镜头接触到玻片而损坏镜头。
4．调节粗准焦螺旋，使镜筒缓慢上移，直至视野清晰为止。
5． 如果在视野中没有被观察对象，可以移动装片。
6．可以用细准焦螺旋进一步调节使图像清晰。
7． 如果需要在高倍物镜下观察，可以转动转换器调换物镜。如果视野较暗，可通过1的方法调节；如果不够清晰，可通过6的方法调节，但是不可以用4的方法。
CCD的使用：在本实验中CCD已经连接至目镜之一，将实时信号传输至电脑软件，方便观测与拍摄。