光源特性測試

一、實驗目的
1、測試LD/LED的功率－電流（P-I）特性曲線和電壓－電流（V-I）特性曲線，計算閾值電流（Ith）和外微分量子效率。
2、了解溫度（T）對閾值電流（Ith）和光功率（P）的影響。
 
二、實驗內容
1、測試在LD/LED的功率－電流（P-I）特性曲線和電壓－電流（V-I）特性曲線。
2、測試LD溫度特性。
 
三、實驗儀器
1、LD激光二極管（帶尾纖輸出，F(xiàn)C型接口）                                1只
2、LED發(fā)光二極管                                                        1只
3、LD/ LED電流源                                                        1臺
4、溫控器（可選）                                                        1臺
5、光功率計                                                              1臺
6、積分球（可選）                                                        1個
7、萬用表                                                                1臺
 
四、實驗原理
激光二極管LD和發(fā)光二極管LED是光通訊系統(tǒng)中使用的主要光源。LD和LED都是半導體光電子器件，其核心部分都是P-N結。因此其具有與普通二極管相類似的V-I特性曲線，如圖所示：
 
 
 
 
 
 
 
 
 
由V-I曲線我們可以計算出LD/LED總的串聯(lián)電阻R和開門電壓VT。
在結構上，由于LED與LD相比沒有光學諧振腔。因此，LD和LED的功率與電流的P-I關系特性曲線則有很大的差別。LED的P-I曲線基本上是一條近似的線性直線。  
 
 
 
 
 
 
 
 
     
 
          
 
 
從圖中可以看出LD的P-I曲線有一閾值電流Ith，只有在工作電流If>Ith部分，P-I曲線才近似一根直線。而在If<Ith部分，LD輸出的光功率幾乎為零。
對于LD可以根據其P-I曲線可以求出LD的外微分量子效率ηD。其具有如下關系：

因此在曲線中，曲線的斜率表征的就是外微分量子效率。
由于光電子器件是由半導體材料制成，因此溫度對其光電特性影響也很大。隨著溫度的增加，LD的閾值逐漸增大，光功率逐漸減小，外微分量子效率逐漸減小。閾值與溫度的近似關系可以表示為：

式中，為室溫，為室溫下的閾值電流，為特征溫度。不同溫度下，LD的P-I曲線如圖，根據此圖可以求出LD的特征溫度。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LD/LED電流源使用說明：
 
1、本機為LD/LED專用測試設備，可廣泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各種中小功率LD的電流測試及老化測試。設備內部帶APC(Automatic Power Control)電路及ACC(Automatic Current Control)電路，可以實現(xiàn)以下三種功能：
1） LD電流源
2） Iop及Im電流測試
3） LD恒功老化及恒流老化
本產品的一大特色是設備內部帶APC（Automatic Power Control）電路，這種電路是LD在實際應用時通常采用的一種恒功控制電路，可以控制LD輸出恒定的光功率。因此，一只LD在本機上所表現(xiàn)的直流特性，將與它在實際應用時的直流特性完全一致。有了這種恒功控制電路，就可以長期通電對LD進行壽命及穩(wěn)定性考核。比如，可將被測LD調到5mW輸出，記錄該LD在通電1小時后、1天后、1月后、3月后工作電流（Iop）的變化量，從而反映出LD在應用產品（如光通信模塊、DVD激光頭等）中工作時的穩(wěn)定性。
2、其主要性能指標為： 
供給電流（Iop）max：150mA
反饋電流(Im)max：2000uA
Iop的測量準確度： ±0.5mA
Im測量準確度：±5uA
電源規(guī)格：
輸入：190V-250V ，50/60Hz
輸出：直流+5V ，500mA
3、儀器面板結構圖如圖4：
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                      圖 4
① LD/LED電流顯示
② 激光器背向探測電流顯示
③ 電源開關
④ LD/LED電流輸出
⑤ DVD管、POINTER管切換開關（DVD管則按下開關，POINTER管則彈起）
⑥ 恒功、恒流切換開關
⑦ 輸出電流粗調旋鈕
⑧ 輸出電流細調旋鈕
4、操作步驟
1）將配套直流電源接入電流源后面電源輸入接口處。通電之前，確保“粗調”“細調”旋鈕在最小值位置。這樣可防止沖擊電流損壞LD。
    2）確認LD或LED已經插接良好后，打開電源開關。此時電源輸出為零，LD或LED尚未發(fā)光。
    3）恒功測量：將切換開關撥到恒功檔，順時針緩慢調節(jié)輸出功率“粗調”旋鈕，觀察電流變化，改調“細調”旋鈕，可將LD工作電流調至要求的數值（可用一臺光功率計同時來測量LD的輸出功率）。通過Iop顯示窗口可以讀出輸出電流值，通過Im顯示窗口可以讀出背向探測電流值。注意：LED內部沒有探測器，故不能用恒功檔測試，只能用恒流檔進行測試。
    4）恒流測量：將切換開關撥到恒流檔，該方式下“細調”旋鈕無效，Im窗口顯示讀數也無效。只需要調節(jié)輸出功率“粗調”旋鈕即可，通過Iop顯示窗口可以讀出輸出電流值。
    5）恒功老化：將切換開關撥到恒功檔，將被測LD調到固定的功率輸出（這個值由用戶根據需要確定），并保持不斷電，記錄該LD在通電一定時間后工作電流的變化量，從而反映出LD產品在實際應用中的穩(wěn)定性。
6）恒流老化：將切換開關撥到恒流檔，將被測LD調到固定的電流輸出（這個值由用戶根據需要確定），并保持不斷電，記錄該LD在通電一定時間后輸出功率的變化量，從而反映出LD產品在實際應用中的穩(wěn)定性。
 
五、實驗步驟
1、按圖示線路連接LD或LED，其引腳說明見圖6和圖7。若沒有配積分球，可直接將LD或LED與光功率計連接，將LD或LED在暗室內放入光功率計的接口處。實驗時，若不使用積分球，將只會影響到LED各參數的測量精度，對LD各參數的測量不會影響。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖8  LED引腳說明：3.LED正；4.LED正
 
2、若實驗中用到溫控器，啟動溫控器電源，并將溫度調到20℃。
3、通電之前，確保“粗調”、“細調”旋鈕在最小值位置。這樣可防止沖擊電流損壞LD。實驗中用到的LD是POINTER管，電流源要選擇使用POINTER檔位。開啟LD的驅動電源，緩慢調節(jié)電流旋紐逐漸增加工作電流，并用萬用表測試LD兩端的電壓值。每隔一定電流間隔，記錄LD的電壓值和光功率值。繪制LD的P-I曲線和V-I曲線。注意：LD為靜電敏感元件，因此操作者必要用手直接接觸激光器引腳以及與引腳連接的任何測試點和線路，以免損壞激光器。
表1  LD的P-I-V實驗測試數據

I(mA)	0	3	6	9	12	15	18
U(V)
P(uW)

 
4、開啟LED的驅動電源（恒流檔測量），緩慢調節(jié)“粗調”旋紐逐漸增加工作電流，并用萬用表測試LED兩端的電壓值。每隔一定電流間隔，記錄LED的電壓值和光功率值。繪制LED的P-I曲線和V-I曲線。
表2  LED的P-I-V實驗測試數據

I(mA)	0	10	20	30	40	50	60
U(V)
P(uW)

5、調節(jié)溫控器，升高LD的工作溫度，重復實驗步驟3，記錄LD的P-I曲線和V-I曲線。比較在不同溫度下，LD的特性曲線變化。
 
六、注意事項
    1、恒功測量時，如果僅調節(jié)“粗調”旋鈕，而“細調”旋鈕在最小位置，將不一定能把LD輸出功率調到足夠大。此時必須使用“細調”旋鈕來把輸出功率調大。
    恒流測量時，調節(jié)“細調”旋鈕無效。
    2、插拔LD/LED之前，務必先把輸出功率（粗調、細調）旋鈕調到最小，然后關閉電源開關。這是因為帶電插拔LD/LED會造成LD/LED的劣化。
    3、如果被測LD/LED過流，則Iop顯示窗口讀數為1。說明此時Iop≥200mA，已超出本機的測量范圍。當LD/LED已經劣化時，這種情況常常出現(xiàn)。此時請將輸出功率（粗調）旋鈕調回到最小位置，關閉電源。
4、在LD的P-I-V實驗測中，電流值請勿超過40mA，以免燒壞元器件。
5、由于LD為靜電敏感元件，因此操作者必須佩帶防靜電手腕，工作場所必須具備接地線，焊接用的烙鐵必須具備ESD功能。靜電將造成LD的劣化，使得測量時出現(xiàn)Iop過流的現(xiàn)象。另外，若LD的輸出功率被調的過大，也容易損壞LD，出現(xiàn)LD過流的現(xiàn)象。 
6、本機只能對以下兩種結構的LD進行測量：
 

圖9  DVD、POINTER檔區(qū)別圖示
 
    上面畫出的兩種激光器內的PD均為N side down安裝，本機不能用來測量P side down安裝的激光器，否則會損壞激光器。
7、在使用過程中，出現(xiàn)任何異常情況，必須立即關機斷電以確保安全。
    
七、思考題
1、串聯(lián)電阻R對于LD/LED的應用性能有何影響？
2、為什么LD/LED的輸出特性有較大差異？