实验一-光电探测器特性测试实验

华南师范大学实验报告学生姓名学号20103100152专业通信工程年级、班级10级6A_课程名称光纤通信实验项目实验一光电探测器特性测试实验实验类型■验证□设计□综合实验时间2013_年_11___月__5日实验指导老师彭力实验评分一、实验目的1、学习光电探测器响应度及量子效率的概念2、掌握光电探测器响应度的测试方法3、了解光电探测器响应度对光纤通信系统的影响二、实验内容1、测试1310nm检测器I-P特性2、根据I-P特性曲线，得出检测器的响应度并计算其量子效率三、实验仪器1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台2、光功率计1台3、FC-FC单模光跳线1根4、万用表1台5、连接导线1根四、实验原理在光纤通信工程中，光检测器（photodetector），又称光电探测器或光检波器。按其作用原理可分为热器件和光子器件两大类。前者是吸收光子使器件升温，从而探知入射光能的大小，后者则将入射光转化为电流或电压，是以光子-电子的能量转换形式完成光的检测目的。最简单的光检测器就是p-n结，但它存在许多缺点，光纤通信系统中，较多采用p-i-n光电二极管（简称PIN管）及雪崩光电二极管（APD管），都是实现光电转换的半导体器件。在给定波长的光照射下，光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。简言之，即输入单位的光功率产生的平均输出电流，R的单位为A/W或uA/uW。其表达式为：PIRp（1-1）响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为hυ的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量：hvPeP//I＝入射到器件上的光子数对数通过结区的光生载流子（×100％）（1-2）上式中，e是电子电荷；υ为光的频率。通过测试IP与P的关系，即可计算获得检测器的量子效率，其中光电检测器的量子效率与响应度的关系为：24.1R（1-3）在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流，即可获得检测器的响应度及量子效率的大小，从而了解检测器的性能指标。实验箱中，1310nm与1550nm两个波长使用的检测器均为PIN光电二极管，用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率，然后再测试得到光收端机检测得到的响应电流，改变光发端机输出功率，作检测器端的I-P特性曲线，曲线斜率即为特定波长下的响应度。响应电流的测定是通过运放，将检测器的电流信号，放大成电压信号后得到的，检测电压点为T103（VOUT），即此测试点与接地点之间的电压V。其放大系数为n可以通过W47（现行度调节）来调节，即检测电流I＝V/（10000×n）（1-4）（此关系式由运放电路的参数决定）电流电压转换原理图见下图1-1。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Mar-2005SheetofFile:D:\光纤\光纤H\第二板原理图\H1PCB\H1_PCB.DDBDrawnBy:32184U83AR345R346567U83B1T103-5VDVCCDW47PD-1GND2PD+3VCC4J15R487图1-1电流电压转换原理图而实际的所测的电流I只有探测器输出电流的1/6，原因如下123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Jan-2002SheetofFile:D:\光纤\光纤H\第二板原理图\第二板原理图pcb.ddbDrawnBy:32184U83ATL082R345R346567U83BTL082R362470VCCDK301T103-5VDVCCD1122334455667788BM2SD3ZR4551006237PD851RXVCCDW4747KPD-1GND2PD+3VCC4J15PDHYR4872KR4882K无光告警电路图1-2探测器电流流向图因此，在计算探测器的响应度时因该将测得的电流值乘以6倍，作为探测器的响应电流。因此，响应度R的实际计算公式为)10000/(6/PnVPIRp（1-5）五、实验步骤1、用导线连接电终端模块T68(M)和T94(13_DIN)，为半导体激光器提供电源。2、将开关K43拨为“数字”，即光功率的大小由实验箱上的数字调节旋钮（W44）调节；将开关BM1拨为1310nm,开关BM2拨为1310nm（为发射1310nm波长的激光器接通电源）,开关K30拨为“测试”（K30拨到测试档时，检测器的响应电流就转化为电压信号，通过T103（VOUT）表现出来），将电位器W44逆时针旋转到最小。3、旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光机收机（1310nmR）连接起来。4、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。5、将电位器W46(阈值电流调节)逆时针旋转到底。6、用万用表测量T97（TV+）和T98(TV-)两端电压V7-8（红表笔插T97，黑表笔插T98），调节W44（半导体激光器驱动电压），使万用表示数为30mV，将电位器W47（线性度调节）顺时针调到最大（电位器W47（线性度调节）用于调节（式1-4中）n的值，此处调节到最大时n=5,即此时的I=V/50000。），用万用表测试T103（VOUT）与地之间电压V，填入下表中，将1310nm光收端机端光纤取出，测试此时光功率并填入对应表格中。7、调节W44，减小驱动电流，用万用表测量T97（TV+）和T98(TV-)两端电压，使得万用表示数为下表中的数值，测试T103（VOUT）与地之间的电压，同时取出光纤测试光功率，填入对应表格中。8、依次关闭各直流电源、交流电源，将K30拨到下面，拆除导线，将实验箱还原。六、实验测试点说明T97（V+）、T98（V-）激光器的数字驱动电压测试端T103（VOUT）探测器I-P特性曲线电压测试端七、实验结果分析表1-1实验结果记录表由表1-1绘制I-P特性曲线如下图所示V7-8(mv)353025201510T103：测试电压V（V）3．423.122.412.091.600.95计算得到电流I（mA）0.06840.06240.04820.04180.0320.019输出光功率P（uW）848685548439322204上图中，前两幅分别为I-P特性曲线的描绘的折线图与点图，有图可知P随I的增大而增大，数据中最后一项相对其它点偏移较大（舍弃）。上图中后两幅图分别为取[（0.0184,204）（0.0624,685）]和[(0.032,322)(0.0624,685)]两组数据绘制的直线，由图中可观察到第四幅图的直线对各点的耦合程度较大，故取点(0.032,322)和(0.0624,685)计算斜率K41212102.1032.00624.0322685xxyyK响应度：)10000/(6/(uW)439.60005204322439548685m0.244256)019.0032.00418.00482.00624.0(PnVPIRPAIpp）（56.0106.439102442.063量子效率：%10010131056.024.124.13-R53%七、思考题1、普通P-N结光检测器有什么缺点？答：由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。2、推导检测器响应度R与量子效率关系式。答：100%100%¨//IehvRhvPeP＝入射到器件上的光子数对数通过结区的光生载流子