光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PⅠN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。

【实验目的】

(1)了解半导体光源和光电探测器的物理基础;

(2)了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性;

(3)了解PⅠN光电二极管和APD雪崩光电二极管的工作原理和相关特性;

(4)掌握有源光电子器件特性参数的测量方法。

【实验原理】

1. 发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)

LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。

LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(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( ＞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。

使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势(超过受激吸收)的受激辐射。在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)时，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。

(1)LED和LD的P-I特性与发光效率

图2.1是LED和LD的P-I特性曲线。LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。LD有一阈值电流Ith，当I＞Ith时才发出激光。在Ith以上，光功率P随I线性增加。

图2.1 LD和LED的P-I特性曲线

阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，本实验采用两段直线拟合法对其进行测定。如图2.2所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为阈值电流Ith。

2.2 两段直线拟合法测量LD阈值电流

发光效率是描述LED和LD电光能量转换的重要参数，发光效率可分为功率效率和量子效率。功率效率定义为发光功率和输入电功率之比，以ηω表示。量子效率分为内量子效率和外量子效率。内量子效率定义为单位时间内辐射复合产生的光子数与注入PN结的电子-空穴对数之比。外量子效率定义为单位时间内输出的光子数与注入PN结的电子-空穴对数之比。

(2)LED和LD的光谱特性

LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，图2.3为LED的典型光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大处所对应的波长为发光峰值波长λP，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差Δλ为LED谱线宽度(简称谱宽)，其典型值在30～40nm之间。由图2.3可以看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从λP的变化可以求出LED的波长温度系数。

图2.3 LED光谱特性曲线

激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或折射率导引器件具有多个峰的光谱，如图2.4所示。激光二极管的波长可以定义为它的光谱的统计加权。在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长λP，对诸如DFB、DBR型LD来说，它的λP相当明显。一个激光二极管能够维持的光谱线数目取决于光腔的结构和工作电流。

图2.4 LD光谱特性曲线

(3)LED和LD的调制特性

当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，图2.5示出这两种调制方式。调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到LED在光通信中的传输速度大小，LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化的驱动电路，LED也有可能用于高速光纤通信系统。调制带宽是衡量LED的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半( -3dB)时的频率就是LED的调制带宽。(www.daowen.com)

图2.5 LED调制特性

在LD的调制过程中存在以下两种物理机制影响其调制特性:

①增益饱和效应。当注入电流增大，因而光子数P增大时，增益G出现饱和现象，饱和的物理机制源于空间烧孔、谱烧孔、载流子加热和双光子吸收等因素。谱烧孔也称带内增益饱和。这些因素导致P增大时G的减小。

②线性调频效应。当注入电流为时变电流对激光器进行调制时，载流子数、光增益和有源区折射率均随之而变，载流子数的变化导致模折射率和传播常数的变化，因此产生了相位调制，它导致了与单纵模相关的光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。

2.PⅠN光电二极管和APD光电二极管

光电探测器的作用是完成光电转换。光纤通信所用的光电探测器是半导体光电二极管。它们利用半导体物质吸收光子后形成的电子-空穴对把光功率转换成光电流。常用的有PⅠN光电二极管和APD光电二极管，后者有放大作用。在短波长采用硅材料，在长波长采用锗材料或Ⅰn Ga As P材料。

【实验仪器】

CA9005信息光电子综合实验系统、1550nm半导体激光器、1310nm半导体激光器、光纤

【实验内容及步骤】

1.1550nm、1310nm F-P半导体激光器P-I特性曲线测量

①将1550nm半导体激光器控制端口连接至主机LD1，光输出连接至主机OPM端口，检查无误后打开电源;

②设置OPM工作模式为OPM/mW模式，量程(RTO)切换至1mW;

③设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，1550nm激光器为恒定电流工作模式，驱动电流(Ic)置为0;

④缓慢增加激光器驱动电流，0至30mA每隔0.5mA测一个点，作P-I曲线;

⑤用1310nm半导体激光器替换1550nm半导体激光器，再测量一次。

2.1550nm、1310nm F-P半导体激光器的阈值电流测量

【思考题】

(1)简述半导体激光器工作原理。

(2)在半导体激光器调制过程中，影响其调制特性的主要原因是什么?

【注意事项】

(1)系统加电后应禁止将光纤连接器对准人眼，以免被灼伤。

(2)光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除用专用清洁布外禁止用手触摸或使之接触硬物。空置的光纤连接器端口必须插上护套。

(3)所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30mm。