半导体激光器特性参数测量系统的设计研制

摘要

随着半导体激光器的制作工艺的完善和成本的降低，半导体激光器已被广泛应用于光纤通信、测量技术、激光测距、微细加工、激光雷达成像、医疗、生物工程等技术领域，在这些领域中，使用者对半导体激光器的各项性能指标越来越加关注。目前市场上的能够测量半导体激光器的特性参数的仪器种类很多，但从测量种类、测量精度上有所不同，此类产品中，国外产品占多数，测量精度相对较高，但价格昂贵，只有专业厂家肯花钱配备此类产品，而对于一般用户，则由于价格太高而较难推广，因此这些限制了人们对半导体激光器的进一步认识，因此如何开发出既使用方便，又能较准确测量半导体参数的设备，具有重大意义。 半导体激光器的一般特性包括阈值特性、光谱性质、光强分布、输出功率和转换效率、激光器的温升和热阻等。 目前对半导体激光器常见性能参数的测量，国内的测量方法，有的采用独立测试的手段，有的采用中科院半导体所的自动测试系统，这些系统测量精度较高，但系统庞大，操作复杂，测量周期长，使用价格昂贵，而且由于测量周期长，容易对器件造成损伤。目前国外的此种测量仪器，大多外形小巧简洁，携带方便，且仪器所能测量的半导体激光器的种类较多，测量精度高、操作简单，测量周期短，不易损伤器件，但是此类仪器却价格昂贵，很多公司和研究结构只得望洋兴叹。因此现在市场上的此类测量仪器很难推广其使用，这样便严重限制了人们对半导体激光器的研究和开发应用。 针对这样的市场情形，我们以较低的成本研制了半导体激光器特性参数测量装置，它能够方便、准确地测量激光器的这些重要参数，并根据测得的电压—电流特性曲线和光功率—电流特性曲线对器件的质量和性能作出评价。半导体激光器是一种阈值器件，当注入电流低于阈值时，输出光功率很小(荧光输出)；当电流达到阈值以上时，输出光功率迅速增大(激光输出)；LD的工作电流不能超过额定电流。在使用半导体激光器时，它的工作电流一定要大于阈值电流才能输出激光；同时工作电流也应小于额定电流，否则容易烧坏激光器。 本系统首先完成了对几种典型半导体激光器的特性参数的测量，包括伏安特性，功率—电流特性等，该测量系统由以单片机为核心的输入输出电路组成，系统工作时，半导体激光器在恒流源驱动下，通过调节电路参数，使激光器工作在不同的工作点上，然后将各工作点的电压值通过A/D采样和转换后送入单片机，经过处理后的数据显示在液晶上。 由于开发时间较短，我们没有来得及作上位机的程序，但在测量装置上留有通讯串口，以备将来扩展之用。下位机的测量软件采用C语言编程实现，程序中对光功率值的获得采取多次采样求平均值的方法，功率、管压降、驱动电流等数值都实时显示在测量系统的液晶屏上，数据处理采用曲线拟合的办法，用数学工具MATLAB6.5完成拟合和曲线作图，最终描出光滑的特性曲线，使对半导体激光器的特性一目了然，进而判断出激光器的性能情况。 我们测量激光器的参数，目的是更好的使用它，因此，我们设计的测量装置不仅能够对激光器的参数进行测量，同时还可以把激光器作为应用产品来应用。光纤通信是对激光器的最有代表性的应用，因此我们就以此为背景，同时开发了半导体激光器的调制电路，把它与半导体激光器的参数测量有机的结合在一起，使人们对半导体激光器有了更加生动直观的认识。 我们的激光器调制实验，完成了音频和视频信号的长距离传输，音频信号的传输分别采用了数字和模拟方式，视频信号的传输方式采用的是模拟方式。最后通过对数十只半导体激光器的测量，我们真实的了解了器件的性能，并根据所测的性能作调制通信实验，根据激光器的工作点，有的放矢地调整调制电路的参数，使通信质量明显提高，完成了通讯的目的。

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文摘

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学位论文的主要创新点

第一章绪论

第二章半导体激光器的特性参数

2.1 P-N结分析

2.1.1平衡状态下的P-N结

2.1.2非平衡状态下的P-N结

2.2半导体激光器的特性参数

2.2.1半导体激光器的电压—电流特性

2.2.2半导体激光器的光功率—电流特性

2.2.3阈值特性

2.2.4光谱特性

2.2.5输出光强分布

2.2.6光的激发效率

2.2.7激光器的温度特性

2.2.8半导体激光器的瞬态性质

2.2.9激光器的调制特性

2.3光电探测器

2.3.1光电二极管

2.3.2 InGaAs PIN光电二极管

2.3.3光电池

第三章半导体激光器特性参数测量装置的设计

3.1参数测量装置的硬件部分

3.1.1对DFB(分布反馈)激光器和卜P(法步里-珀罗)激光器以及量子阱(QW)激光器特性参数(阈值特性，斜率效率，串连电阻)的测量

3.1.2 光纤功率测量

3.1.3半导体激光器的通信调制实验

3.1.4音频信号和视频信号的长距离光纤传输

3.2参数测量装置的软件部分

3.3结论

附表(实验数据)

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文：