半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管LED不同，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为30—50°，水平发散角为0～30°)，与单模光纤的耦合效率高(约30％～50％)，辐射光谱线窄(A入=0．1—1,0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为
（1-3）
其中
（1-4）
这里的量子效率η
int
表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高于阈值区域，
int
大多数半导体激光器的η近于1。
（1-3）式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>Ith时，输出功率与I成线性关系。其增大的速率即P-I曲线的斜率，称为“斜率效率”：
dPeh???D （1-5） dI2q 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，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
图1-3 LD半导体激光器P-I曲线示意图
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，就必须要有光放人机制，也即激活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什称为阈值条件。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．
在实验中所用到半导体激光器，其输出波长分别为1310nm和1550nm，带有尾纤及FC型接口活动连接器，通过FC-FC法兰盘与外部光跳线相连。实验中半导体激光器工作于模拟信号方式，电流的确定通过串联在电路中的电流表测量。
五、 实验步骤
（以下实验步骤可在光纤综合传输模块A的1310nm光端机发送模块或光纤综合传输模块B的1550nm光端机发送模块上各自独立进行。） 1、电路部分操作： 1)
关闭系统电源，将激光器工作模式选择开关（跳线块SS01）置于“模拟”位置，使光发模块中LD连接于传输模拟信号状态。 2)
将光发送模块中模拟发送部分的WS04“幅度” 旋钮和WS05“偏流”旋钮分别反时针旋至最左端，使无模拟驱动信号输入，直流偏置电流达到最小值。 3)
将跳线开关（KS02）的跳线帽拨出，使其处于断开状态，在“模拟电流”测量插孔（TPS07、TPS08）上串接一只电流表。
2、光路部分操作：
1) 2)
在光发送模块的LD尾纤法兰盘处，小心插入一根光跳线的活动连接器。 光跳线另一端的活动连接器连接到光功率计（注意操作要小心），同时打开光功率计电源开关，并将波长选择到与所测试的LD波长一致。
3、打开光纤综合传输模块交流电源开关。
4、将“模拟偏置”电位器WS05从最左端位置开始，顺时针缓慢调节，使送入激光器的直流偏置电流逐渐增大，在可调全范围内观察电流表的电流值变化和光功率计的读数变化过程。
5、更缓慢细致地从头调节电位器WS05，使所测得的电流从最小值开始，以1mA为间隔取整数值填入下表，依次测量对应的光功率值。并将测得的数据填入表中。 序号 I（mA） P（uW） P（dBm）
6、 完实验后关掉交流电开关。将跳线开关（KS02）的跳线帽还原。拆下光跳线及
光功率计，将尾纤法兰盘套帽盖好，将光纤综合传输模块还原，并将各仪器摆放整齐。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 六、 实验结果分析与处理
1、 分别画出1310nm激光器和1550激光器的P-I曲线，并比较其异同处。 2、 整理所有实验数据，参考图1-1画出P-I曲线。 3、 说明所测试的激光器的阈值电流大约数值。
第二节 自动功率控制（APD）原理实验
一、 实验目的与要求
1、 学习光发送模块的电路原理
2、 学习光发送模拟各组成模块的电路原理 3、 掌握自动功率控制电路的工作原理
二、 实验内容
1、 学习自动功率控制电路的工作原理 2、 测量相关特征测试点的参数
三、 实验仪器
20MHz及以上的双踪示波器，光纤综合传输模块（A或B），光功率计，万用表。
四、 基本原理
1、数字接口主要技术性能：
1. 速率：0～4096kb／s。
2. 光调制方式：直接光强度调制。 3. 输入数据信号：TTL单极性NRZ码。 4. 光源：LD(1310nm或1550nm)。 5. 平均输出光功率；0～-3dBm。 2、方框组成
LD数字光发送电路方框图如图2-1所示。它由功能部件M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7几部分组成。Ml是接口及电平移动电路，由集成电路US01等组成。M2是驱动电路，由三极管TS01、TS02等组成。M3是LD1激光器，它把码型速率为0～4096kb／s的电信息码流变换为光信号后送入光纤。M5为监测电路，采用与激光器封装于一体的光敏二极管PD对激光器的工作情况进行监测，并通过M4自动功率控制电路(APC)反馈处理控制激光器的光信号强度，使之保持稳定。（有的发送电路还设有ATC电路）。APC由US03组合运算放大器中的三只运放及相关电路组成。无光告警电路M6由US03、TS05及红色发光二极管DS04组成。寿命告警电路M7由US04、TS06和红色发光二极管DS05组成。
LD光发送模块电原理图如图2- 6所示。
3、电路原理
1．接口及电平移动电路
由相应电路送来的NRZ信码于数字信号输入端口加入本模块。
接口及电平移动电路由US01等组成。US01是TTL-ECL的电平转换芯片，将输入的标准TTL电平转换成适合LD驱动电路工作的ECL电平。电阻RS04、RS05和RS09、RS10是US01的负载电阻，同时起到电平移位的作用，将US01输出的ECL电平向负方向移动，以保证驱动电路工作在线性开关状态。
图9-1 LD数字光发电路原理框图
为把噪声干扰降至最低，LD的正极采用接地(外壳)方式，因此驱动电路必须采用负电源，而输入信码是TTL电平不适宜直接驱动，需要设置TTL／ECL电平转换电路使信号转换成ECL电平，即转换成以－0.8V为逻辑“1”，－1.6V为逻辑“0”的电平，再经过电阻RS04、RS05和RS09、RS10进行负向电平移动，将逻辑“1”移到－2.56V，逻辑“0”移到－3.04V，作为TS01、TS02的基极电平，而TS01、TS02的射极电平为－3.25V，这样就可以使TS01、TS02在进行高速开关转换时不致进入饱和状态，保证对高码速应用的适应性。 2．LD驱动电路
LD驱动电路由晶体管TS01、TS02组成的射极耦合电流开关电路构成。激光器LD的正极接地，负极经电阻RS12接到TS02的集电极。RS30、RS31及TS04为LD提供偏流。