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：
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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。  
 
 
 
 
 
 
 
 
     
 
          
 
 
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<Ith部分，LD输出的光功率几乎为零。
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：

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：

式中，为室温，为室温下的阈值电流，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。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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：
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：
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                      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
4、操作步骤
1）将配套直流电源接入电流源后面电源输入接口处。通电之前，确保“粗调”“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。
    2）确认LD或LED已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD或LED尚未发光。
    3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，观察电流变化，改调“细调”旋钮，可将LD工作电流调至要求的数值（可用一台光功率计同时来测量LD的输出功率）。通过Iop显示窗口可以读出输出电流值，通过Im显示窗口可以读出背向探测电流值。注意：LED内部没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。
    4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop显示窗口可以读出输出电流值。
    5）恒功老化：将切换开关拨到恒功档，将被测LD调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后工作电流的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。
6）恒流老化：将切换开关拨到恒流档，将被测LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。
 
五、实验步骤
1、按图示线路连接LD或LED，其引脚说明见图6和图7。若没有配积分球，可直接将LD或LED与光功率计连接，将LD或LED在暗室内放入光功率计的接口处。实验时，若不使用积分球，将只会影响到LED各参数的测量精度，对LD各参数的测量不会影响。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图8  LED引脚说明：3.LED正；4.LED正
 
2、若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到20℃。
3、通电之前，确保“粗调”、“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。实验中用到的LD是POINTER管，电流源要选择使用POINTER档位。开启LD的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试LD两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录LD的电压值和光功率值。绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。注意：LD为静电敏感元件，因此操作者必要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。
表1  LD的P-I-V实验测试数据

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

 
4、开启LED的驱动电源（恒流档测量），缓慢调节“粗调”旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试LED两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录LED的电压值和光功率值。绘制LED的P-I曲线和V-I曲线。
表2  LED的P-I-V实验测试数据

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

5、调节温控器，升高LD的工作温度，重复实验步骤3，记录LD的P-I曲线和V-I曲线。比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。
 
六、注意事项
    1、恒功测量时，如果仅调节“粗调”旋钮，而“细调”旋钮在最小位置，将不一定能把LD输出功率调到足够大。此时必须使用“细调”旋钮来把输出功率调大。
    恒流测量时，调节“细调”旋钮无效。
    2、插拔LD/LED之前，务必先把输出功率（粗调、细调）旋钮调到最小，然后关闭电源开关。这是因为带电插拔LD/LED会造成LD/LED的劣化。
    3、如果被测LD/LED过流，则Iop显示窗口读数为1。说明此时Iop≥200mA，已超出本机的测量范围。当LD/LED已经劣化时，这种情况常常出现。此时请将输出功率（粗调）旋钮调回到最小位置，关闭电源。
4、在LD的P-I-V实验测中，电流值请勿超过40mA，以免烧坏元器件。
5、由于LD为静电敏感元件，因此操作者必须佩带防静电手腕，工作场所必须具备接地线，焊接用的烙铁必须具备ESD功能。静电将造成LD的劣化，使得测量时出现Iop过流的现象。另外，若LD的输出功率被调的过大，也容易损坏LD，出现LD过流的现象。 
6、本机只能对以下两种结构的LD进行测量：
 

图9  DVD、POINTER档区别图示
 
    上面画出的两种激光器内的PD均为N side down安装，本机不能用来测量P side down安装的激光器，否则会损坏激光器。
7、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。
    
七、思考题
1、串联电阻R对于LD/LED的应用性能有何影响？
2、为什么LD/LED的输出特性有较大差异？