一、实验目的

通过这个实验，使学生深入了解半导体激光器LD的P-I特性，掌握光源P-I特性曲线测试方法。

二、实验内容

P-I特性观测，改变光发射机驱动电流，并观测记录相应的光发射机输出功率，从而了解P-I特性曲线，并尝试找出激光器的阈值电流。

三、实验原理

半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如下图1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性。

图1 LD半导体激光器P-I曲线示意图

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，消光比大，而且不易产生光信号失真。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，则会山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，激光二极管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，也即启动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，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于Ith时 ，则输出光为激光，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，以验证P-I的线性关系。

四、实验器材

虚拟仿真实验平台eLabsim，选择主控单元模块、数字终端模块、光功率计与误码仪模块、光收发模块、示波器。

五、实验步骤

1、新建实验文件，选择实验所需的主控单元模块、2-数字终端模块、25-光收发模块、23-光功率计与误码仪模块、示波器。如图2所示：

2、按如下说明进行连线及设置：

（1）连接2号模块TH7(DoutD)和25号光收发模块的TH2(数字输入)，并把2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。如图3所示：

图3

（2）连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。如图4所示：

图4

（3）将25号模块P4(光探测器输出) 连至23号模块P1(光探测器输入)。如图5所示：

图5

（4）将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；开关S3拨为“数字”，即数字光发。将开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。如图6所示：

图6

（5）将示波器的通道1和通道2分别接25号模块的TP2和TP3。（注：本仿真实验通过示波器直流耦合测量并计算出两个测试点的电压差U，激光器驱动电流I=U/33。）如图7所示：

图7

3、运行仿真，开启所有模块的电源开关。如图8所示：

图8

点击主控模块的【主菜单】，选择【光纤通信】→【光源的P-I特性测试】，此时可以看到【光功率计】显示界面。如图9所示：

图9

5逆时针调节25号模块的电位器W4，依次记录不同的电压差U、驱动电流I和相应的输出光功率P。

（注：电压差U的测量方法是，双击示波器模块，打开显示窗口，先将示波器的通道1和通道2都选择直流耦合，再点击示波器面板上方的测量功能按键【MEASURE】，然后选择测量【CH1最大值】和【CH2最大值】，再根据通道1和通道2所测电压值U1和U2，计算出电压差U=U1-U2。）

表1  电压、驱动电流和输出光功率的数据表。

7、根据上述数据，估摸得到仿真中激光器的阈值电流是多少。