Лабораторная работа №7

          «Измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода»

1. Цель работы:

·        получение     навыков    практического    использования    измерителя оптической мощности;

·        измерение ватт- амперной характеристики лазерного диода с помощью измерителя оптической мощности;

·        исследование  зависимости тока фотодиода от уровня  оптической мощности на его чувствительной площадке;

·        исследование зависимости тока фотодиода от напряжения смещения Ucm ;

·        исследование зависимости спектральной чувствительности фотодиода от  напряжения смещения Ucm.

 

2. Литература:

2.1. Неудачина О.И. Элетронный учебник по ТМ и О ЦСП, - Улан-Удэ:

       «БИИК СибГУТИ», 2015.

     2.2. Попов Г.Н. Телекоммуникационные системы передачи. Часть 1, 2-ое 

            изд.– Новосибирск: Веди. 2006.

     2.3. Конспект лекций.

 

3. Подготовка к работе:

3.1. Изучить  характеристики лазерных диодов; схемы включения.

3.2. Изучить   состав   и   назначение оборудования.

3.3. Подготовить бланк отчета.

 

4. Основное оборудование:

4.1 Электронный блок «Источник оптического сигнала» -ИОС;

4.2. Электронный блок «Фотоприемник» -ФП;

4.3. Измеритель оптической мощности, Топаз 3000;

4.4. Соединительный одномодовый волоконный шнур FC/UPS-SM-3m- FC/UPS длиной 3 метра –ВШ.

 

5. Методические указания.

Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки. Перед каждым использованием в

измерениях оптического тестера «Топаз 3000» необходимо отвернуть защитный колпачок с торца его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

 

5.1 Источник оптического сигнала обеспечивает генерацию оптического излучения в диапазоне длин волн λ = 1,3 мкм и 1,5 мкм с помощью двух лазерных диодов (полупроводниковых лазеров) LFO-14-ip (λ=1,3 мкм) и LFO-17-ip (λ = 1,5 мкм) с выходной мощностью 1 мВт. Диоды состыкованы с отрезками одномодового волокна, которое оконцовано коннекторами типа FC/SPC. Подключение их к внешним оптическим цепям осуществляется с помощью оптических розеток типа FC/UPC «ОПТИЧЕСКИЙ ВЫХОД», выведенных на лицевую панель.

 

5.2.Фотоприёмник обеспечивает измерение мощности оптического излучения в диапазоне длин волн λ=1,3 и λ=1,5 мкМ с помощью фотодиода типа PD-1375-ip. Диод состыкован с отрезком одномодового волокна, которое оконцовано коннектором типа FC/SPC. Подключение его к внешним оптическим цепям осуществляется с помощью оптической розетки типа FC «ОПТИЧЕСКИЙ ВХОД», выведенной на лицевую панель.

 

5.3. Измеритель оптической мощности «Топаз 3000», который используется в качестве эталонного измерителя оптической мощности. Оптическая мощность подается на его вход с помощью волоконного шнура. Прибор имеет автономный источник питания и сетевой адаптер.

6. Порядок выполнения работы.

6.1 Измерение ватт - амперной характеристики, лазерного диода с помощью измерителя оптической мощности.

6.1.1. Установите органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала» в исходное положение:

·         ручки потенциометров «I0», «I1» регулировки токов в крайнее положение против часовой стрелки;

·         кнопочные переключатели «модуляция», «дисперсия», «шум» - отжаты;

·        включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

·        кнопочный переключатель «Выбор источника» - в положении, соответствующем включению лазера, излучающего на выбранной длине волны 1,3 или 1,5 мкм. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный светодиод;

При   данном   положении   органов   управления   электронный   блок обеспечивает непрерывное немодулированное оптическое излучение на выбранном      оптическом      выходе.      Его      мощность      регулируется потенциометром «I0».  (Длина волны и другие исходные данные выбираются из таблицы №1 в соответствии с вариантом).

6.1.2.С помощью одномодового (желтый цвет защитной оболочки) оптического шнура с коннекторами типа FC соедините оптический выход электронного блока «Источник оптического излучения» со входом оптического тестера «Топаз 3000» (рис. 1).

lb7_ris1.png 

            рисунок 1

                                                     Таблица № 1.

№ варианта

Ток накачки I0, мА

Длина волны λ, мкм

1

0

5

10

15

20

25

1.3

2

0

3

9

12

28

22

1.55

3

0

6

12

18

24

26

1.3

4

0

6

12

18

24

26

1.55

5

0

3

9

12

18

22

1.3

6

0

5

10

15

20

25

1.55

 

6.1.3 Включить «Топаз 3000», его в режим измерения абсолютного значения оптической мощности (в мВт) на выбранной длине волны.

6.1.4. Изменяя величину тока I0 с помощью потенциометра на лицевой панели блока «Источник оптического излучения», произвести измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода. Значение мощности Раб определять с помощью прибора «Топаз 3000» в абсолютных единицах. Величину тока I0 определять с помощью цифрового индикатора на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения». Измерения проводить, изменяя I0 в диапазоне значений 0<I0<25 мА с шагом изменения, который определяется, заданным преподавателем, вариантом. Данные измерений занести в строки 1 и 2 таблицы 2. После окончания измерений выключить «Топаз 3000».

                                                                                       Таблица 2

I0, мА

 

 

 

 

 

 

Раб, мкВт

 

 

 

 

 

 

 6.1.5. По экспериментальным данным построить ватт-амперную характеристику лазерного диода - зависимость Раб (мкВт) от I0 (мА). На характеристике отметить величину порогового тока Iп (мА), значение которого необходимо для выполнения последующих исследований.

■

6.2.Исследование зависимости тока фотодиода от уровня оптической 

       мощности на его чувствительной площадке.

6.2.1 Установите       органы       управления       электронного       блока «Фотоприемник» в исходное положение:

     -ручку потенциометра «Регулировка смещения» регулировки напряжения смещения

    - в крайнее положение против часовой стрелки; 

    -кнопочный переключатель «Уст. нуля» - отжать;

      -кнопочный переключатель «Чувствительность» - в положение 1

       -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

6.2.2. Установите ручку потенциометра регулировки тока «I0» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом излучение лазерного диода отсутствует.

6.2.3.Отсоедините коннектор оптического шнура от входа прибора «Топаз 3000» и соедините его с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник» (рис.2).

                                                                       lb7.pngРисунок 2

 

6.2.4. Ручками потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения    на   лицевой   панели   электронного    блока «Фотоприемник» установите по указанию преподавателя требуемую величину Uсм.

6.2.5. Произведите    калибровку    фотоприемника.    Для    этого    выполните следующие операции:

 -нажмите кнопочный переключатель «Уст.нуля» включения калибровки на лицевой панели фотоприемника;

  -ручкой потенциометра «Уст.нуля» установите нулевые показания прибора, измеряющего оптическую мощность в относительных единицах;

     -отожмите   кнопочный   переключатель   калибровки   на   лицевой   панели фотоприемника.

6.2.6.Произведите измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода, используя в качестве регистрирующего устройства прибор на лицевой панели фотоприемника, фиксирующий оптическую мощность в относительных единицах. Она соответствует зависимости показаний прибора Р (относительные единицы) на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» от величины тока накачки I0. Значения тока I0 следует выбирать в соответствии с таблицей 1 так, чтобы была возможность установить соответствие между абсолютным значением оптической мощности, измеренным в пункте 1 и относительным, измеряемым в данном пункте. Данные измерений занесите в стоки 1 и 2 таблицы 3. Для удобства обработки полученных результатов занесите в строку 3 таблицы 3 величину оптической мощности в абсолютных единицах Раб (мкВт) из таблицы 2.

                                                                                                                             таблица 3

I0, мА

 

 

 

 

 

Р, отн.ед

 

 

 

 

 

Раб, мкВт

 

 

 

 

 

6.2.7.  Повторите измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода, используя в качестве регистрирующего устройства прибор на лицевой панели фотоприемника, фиксирующий оптическую мощность в относительных единицах, меняя величину напряжения смещения Uсм.

6.2.8. По результатам измерений, отраженным в таблице 3, постройте зависимости измеренного значения оптической мощности в относительных единицах от ее абсолютного значения, Раб для выбранных величин Uсм. Эти зависимости представляют собой градуировочные кривые измерительного прибора фотоприемника для соответствующего напряжения смещения Uсм. По данной зависимости следует сделать вывод о соответствии оптической мощности, фиксируемой фотодиодом, в идеальном случае должна наблюдаться прямая пропорциональность между этими величинами.

6.2.9. Показания       измерительного       прибора       электронного       блока «Фотоприемник», фиксирующего   Р (отн.ед.), пропорциональны   сумме фототока Iф, обусловленного оптической мощностью на его чувствительной площадке (Раб) и темнового тока Iт:

(Iф+ Iт) = К(А) Р(отн.ед)

Коэффициент пропорциональности К (А) следует определить по значению Р(отн.ед.) I0= 0 (мА). соответствующему I0= 0 (мА). При этом лазерный диод не излучает и IФ = 0. Величина темнового тока, соответствующая используемому в макете диоду, составляет IТ = 10-9 А. Значение коэффициента К (А) определить из соотношения:

 

        К(А) = IТ(А)/ Р(отн.ед.) I0= 0 (мА).

 

6.З. Вычисление значения спектральной чувствительности фотодиода для каждого значения напряжения смещения Uсм

6.3.1 Для каждой зависимости измеренного значения оптической мощности в относительных    единицах    Р (отн.ед.)  от    ее    абсолютного    значения Р = φ (Раб), соответствующего выбранному   значению   Ucm,    определите   линейный участок;

6.3.2.0тметьте границы линейного участка и соответствующие им      значения:      

  P (отн.ед.) max;  P (отн.ед.) min;  Pаб.max, Вт;  Pаб.min, Вт.

Значения абсолютных величин мощности должны быть выражены в ваттах. Для удобства расчетов заполните таблицу 4, данные в которую берем из таблицы 3.

                                                                                                             Таблица 4

    Uсм, В

 

 

 

 

 

P(от.ед.) max

 

 

 

 

 

P(от.ед.) min

 

 

 

 

 

Pаб.max, Вт

 

 

 

 

 

Pаб.min, Вт

 

 

 

 

 

6.З.З. Вычислите значение спектральной чувствительности фотодиода по формуле:

S(А/Вт) = К(А)( P(от.ед.) max -  P(от.ед.) min )/ (Pаб.max, Вт - Pаб.min, Вт)

6.3.4. Вычисленное значение S и соответствующее ему значение напряжения смещения Ucm занести в таблицу 5.

                                                                                                        Таблица 5

Ucm, В

 

 

 

 

 

S(А/Вт)

 

 

 

 

 

 

6.3.5. По данным таблицы 5 построить зависимость спектральной характеристики фотодиода от Ucm.

6.4 После проведения измерений:

-ручки потенциометров «Регулировка смещения» регулировки напряжения

-смещения   на   лицевой   панели   электронного   блока   «Фотоприемник» установить в крайнее положение против часовой стрелки;

-ручку потенциометра регулировки тока «1о» установить в крайнее положение против часовой стрелки;

-выключить тумблеры «сеть» на обоих электронных блоках.

 

 

7.Содержание отчёта

7.1. Схемы подключения приборов

7.2.Таблица результатов   исследования   ватт-   амперной   характеристики лазерного диода с помощью прибора «Топаз 3000».

7.3. Ватт - амперная характеристика ЛД по результатам таблицы 2.

7.4.Таблица 3 результатов   исследования   ватт - амперной характеристики ЛД с помощью электронного блока «Фотоприемник» при разных Ucm.

7.5. Графики зависимости измеренного значения оптической мощности в относительных единицах от ее абсолютного значения, Раб для выбранных величин Uсм. На одном графике начертить семейство зависимостей.

7.6.Расчёты   значений    спектральной   чувствительности    фотодиода   для каждого значения напряжения смещения,Uсм.

7.7.Графики     по     данным     таблицы     5    зависимости     спектральной

чувствительности фотодиода от напряжения смещения, Uсм.

7.8.Выводы по результатам лабораторной работы.

 

8.Контрольные вопросы

      8.1. Пояснить процессы, происходящие в ЛД.

8.2. Что такое спонтанное и стимулированное излучения.

8.3. Конструкция резонатора Фабри-Перо.

     8.4. Простейший лазерный диод (гомолазер).

     8.5. Полосковый лазер Ф-П с двойной гетероструктурой.

     8.6. Основные характеристики источников излучения.

8.7. Преимущества и недостатки ЛД.

8.8. Сравнительная характеристика СИД и ЛД.

8.9. Уметь пояснить результаты проведенных измерений.