《2006光电子技术实验》实验指导书 - 图文

《光电子技术实验》指导书

编者：洪建勋 葛华 李成军 吴友宇

武汉理工大学信息工程学院

2007年7月

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目录

实验一 光源特性测试 ................................................................................................... 1 实验二 光电探测原理实验.............................................................................................. 7

实验（一） 光照度测试 .......................................................................................... 8

实验（二） 光电二极管光电特性测试 ................................................................... 10 实验（三） 光电二极管伏安特性测试 ................................................................... 14 实验（四） 光电池光电特性测试 .......................................................................... 16 实验（五） 光电池伏安特性测试 .......................................................................... 19 实验三 光电探测器直流特性测试 ................................................................................... 22 实验四 光电倍增管特性参数测试 ................................................................................... 25 实验五 电光调制实验 .................................................................................................... 29 实验六 光电报警系统设计实验 ...................................................................................... 34 实验七 位移的激光干涉测量 .......................................................................................... 38 实验八 光学系统的PSF及MTF评价 ............................................................................. 42 实验九 缝宽或间隙的衍射测量 ...................................................................................... 45 实验十 光纤传感实验 .................................................................................................... 48

第一部分：反射式光纤位移传感实验....................................................................... 48 第二部分：光纤微弯传感实验 ................................................................................. 50

第三部分 透射式光强无极衰减实验....................................................................... 52 实验十一 学系统设计软件Zemax应用——单透镜设计................................................. 56 实验十二 巴俾特原理及细丝直径测量 .......................................................................... 58 实验十三 变形的全场衍射测量..................................................................................... 60 实验十四 散斑测试技术的综合应用.............................................................................. 62 实验十五 三维形貌的共焦测量..................................................................................... 65 实验十六 纳米测量新技术............................................................................................ 68 实验十七 光发射机与光接收机实验.............................................................................. 71 实验十八 光纤传输综合实验 ........................................................................................ 79 实验十九 光纤通信系统二次开发实验 .......................................................................... 88 实验二十 导波光学系统设计－运用Beamprop软件设计光纤 ........................................ 90 实验二十一 导波光学系统设计－运用Beamprop软件设计光栅 ...................................... 95

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实验一 光源特性测试

一、实验目的

1、测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率。

2、了解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）的影响。

二、实验内容

1、测试在LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线。 2、测试LD温度特性。

三、实验仪器

1、LD激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 1只 2、LED发光二极管 1只 3、LD/ LED电流源 1台 4、温控器（可选） 1台 5、光功率计 1台 6、积分球（可选） 1个 7、万用表 1台

四、实验原理

激光二极管LD和发光二极管LED是光通讯系统中使用的主要光源。LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如图所示：

V VT

I 图1 LD/LED的V-I特性曲线 由V-I曲线我们可以计算出LD/LED总的串联电阻R和开门电压VT。

在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率与电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一条近似的线性直线。

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P LD LED Ith 图2 LD/LED的P-I特性曲线

I 从图中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流If>Ith部分，P-I曲线才近似一根直线。而在If

对于LD可以根据其P-I曲线可以求出LD的外微分量子效率ηD。其具有如下关系：

P??If?Ith??V??D

因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。 由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。随着温度的增加，LD的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。阈值与温度的近似关系可以表示为：

Ith(T)?Ith(Tr)exp[(T?Tr)/T0]

式中，Tr为室温，Ith(Tr)为室温下的阈值电流，T0为特征温度。不同温度下，LD的P-I曲线如图，根据此图可以求出LD的特征温度。

Ith1 Ith2I P T1 (T2>T1) T2 图3 LD的温度特性曲线 LD/LED电流源使用说明：

1、本机为LD/LED专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现以下三种功能：

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1） LD电流源

2） Iop及Im电流测试

3） LD恒功老化及恒流老化

本产品的一大特色是设备内部带APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是LD在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路，可以控制LD输出恒定的光功率。因此，一只LD在本机上所表现的直流特性，将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对LD进行寿命及稳定性考核。比如，可将被测LD调到5mW输出，记录该LD在通电1小时后、1天后、1月后、3月后工作电流（Iop）的变化量，从而反映出LD在应用产品（如光通信模块、DVD激光头等）中工作时的稳定性。 2、其主要性能指标为： 供给电流（Iop）max：150mA 反馈电流(Im)max：2000uA Iop的测量准确度： ±0.5mA Im测量准确度：±5uA 电源规格：

输入：190V-250V ，50/60Hz 输出：直流+5V ，500mA 3、仪器面板结构图如图4：

ZY606LD/LED电流源

1Iop mA Im uA DVDPD负2细调粗调

3PD正LD正LD负恒功POINTER恒流8输出功率调节POWER4567

图 4 ① LD/LED电流显示 ② 激光器背向探测电流显示 ③ 电源开关

④ LD/LED电流输出 ⑤ DVD管、POINTER管切换开关（DVD管则按下开关，POINTER管则弹起） ⑥ 恒功、恒流切换开关 ⑦ 输出电流粗调旋钮 ⑧ 输出电流细调旋钮

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（4）作出光照度—短路电流特性曲线。

七、实验报告要求

1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光照度—开路电压特性曲线和光照度—短路电流特性曲线图，并分析实验现象。

2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。

八、思考题

比较光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。

实验（五） 光电池伏安特性测试

一、实验目的

1、加深对光电池的工作原理的理解；

2、进一步熟悉光电池的基本应用；

3、理解光电池的伏安特性并掌握其测试方法。

二、实验内容

光电池在照度一定的情况下的输出电流与电压随负载变化的关系测试。

三、实验仪器

1、光电探测原理实验箱 1 台

2、连接导线 干

四、实验原理

相同照度下，光电池的输出电流和电压会随负载的变化而变化。

五、实验注意事项

1、电压表选择2V档，电流表选择200μA档； 2、连线之前保证电源关闭。

六、实验步骤

实验装置原理框图如图5.1所示。

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若

图 5.1

1、负载选择RL1=2.4KΩ。将“光电池电压输出＋”端与电阻RL1任一端连接，电阻RL1另一端与电流表“＋”端相连，电流表“－”端与“光电池电压输出－”端相连，再将电压表两端与“光电池电压输出”两端用导线相连接（注意极性不要接反）。“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。将电压表选择2V档，电流表选择200μA档。

2、打开电源，将光照度调节至50Lx，记录电流表和电压表读数，填入表5.1。 3、将负载Ｒ换成分别换成RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为5.6 KΩ、10 KΩ、51KΩ和100 KΩ，重复步骤1和2，分别记录电流表和电压表的读数，填入表5.1。关闭电源。

负载（Ω） 电流（μA） 电压（mV） 2.4Ｋ（RL1） 5.6Ｋ（RL2） 10Ｋ（RL3） 51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2） 表 5.1

4、作出光电池的光生电流和光生电压随负载变化的V-I曲线。

5、改变光照度为100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤，分别填写表5.2、5.3和5.4。 6、比较四条曲线有什么不同，并分析原因。 负载（Ω） 电流（μA） 电压（mV） 负载（Ω） 电流（μA） 电压（mV） 负载

2.4Ｋ（RL1） 5.6Ｋ（RL2） 10Ｋ（RL3） 表 5.2

10Ｋ（RL3） 表 5.3 10Ｋ20

51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2） 2.4Ｋ（RL1） 5.6Ｋ（RL2） 51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2） 2.4Ｋ5.6Ｋ51Ｋ100Ｋ（Ω） 电流（μA） 电压（mV） （RL1） （RL2） （RL3） （R1） （R2） 表 5.4

7、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

七、实验报告要求

1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各伏安特性曲线图，并分析实验现象。 2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。

八、思考题

对不同照度下的四条伏安特性曲线进行分析比较，看看有什么区别？产生这些区别的原因是什么？

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实验三 光电探测器直流特性测试

一、实验目的

了解光电探测器直流参数与光波长的关系。

二、实验内容

测试PIN光电探测的暗电流与光谱响应曲线。

三、实验仪器

1、Si光电探测器 1只

2、卤素灯光源 1台

3、万用表 2台

4、单色仪 1台

四、实验原理

量子效率和暗电流是PIN光探测器性能的重要参数。

量子效率η的定义为在入射光的作用下，PIN管产生的电子－空穴对与入射光子数的比值。它与材料的吸收系数α和吸收层的厚度有关。Α越大，吸收层越厚则η就越高。但是量子效率无法直接测量，一般是通过测量响应度R来描述的。

光谱响应是光探测器对单色入射光辐射的响应能力。电压光谱响应度RV(λ)定义为在波长为λ的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示为：

RV(?)?V(?)/P(?)

而光电探测器在波长为λ的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电流叫做光电探测器的电流光谱响应度，用公式表示为：

RI(?)?I(?)/P(?)

式中，P(λ)是波长为λ时的入射光功率，V(λ)是光电探测器在入射光功率P(λ)作用下的输出信号电压。I(λ)为输出信号电流。为简单起见，电流光谱响应特性和电压光谱响应特性都简称为光电探测器的光谱响应特性。显然，由于两者具有不同的量纲，在具体计算时应该区别对待。

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图1 光谱响应曲线

通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐照下，探测器输出的电信号。然而，由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在测量时应该确定单色辐射功率P(λ)。

??RhC/(e?)

式中，C为真空中的光速，λ为入射光波长，e为电子电荷量，h为普朗克常数，响应度R定义为单位入射光功率作用到探测器后，在外电路产生的电流IP与入射光功率P的比值。

R?Ip/P

不同材料半导体探测器，对不同波长的入射光有不同的吸收系数，从而在规定的反向偏压下，不同波长的恒定功率入射光，可能产生不同的响应度。波长与响应度的关系，即为光谱响应特性曲线，定义该曲线相应于峰值的10％处对应两个波长之间的间隔为光谱响应范围。

光探测器的暗电流为无光照入射时由光探测器自身热噪声所引起的光电流，记为Id。

五、实验步骤

本实验测试PIN光电探测器的暗电流与光谱响应曲线。实验测试系统框图如下图：

电流表 电光 单 + 源 源 光电探测器 直流电压源 色 仪 R -

图2 光电探测器光谱特性测试框图

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