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实验一 光电探测器特性测试实验
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 2、光功率计 3、FC-FC单模光跳线 4、万用表 5、连接导线
1台 1台 1根 1台 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：
R?IpP （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：
??通过结区的光生载流子对数IP/e＝ （×100％） （1-2）
入射到器件上的光子数P/hv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：
R???1.24 （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。 R3451J15234PD-GNDPD+VCC1234W4745-5VDT103R3461R48723U83A165U83B7D8VCCD 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 R345VCCD4W47-5VD47KT103PD8516R4551002RX37K30BM2183645183645SD3Z22R4872K23U83ATL08281R34665U83BTL0827CJ15PD-GNDPD+VCCPDHY1234R4882K77R362470VCCDVCCD无光告警电路1 图1-2 探测器电流流向图 因此，在计算探测器的相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R?Ip/P?6?V/(10000?n?P)（1-5） B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）Title,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T103Size（VOUT）表现出来），将电位器W44逆时针旋转到最小。 BDate:3、旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光File:器与光机收机（1310nm R3）连接起来。 454、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。 2345、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。
NumberATitle24-Mar-2005D:\\光纤\\光纤H\\第二板原理图\\H1PCBSizeBDate:File:522D17、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。
V7-8(mv) T103：测试电压V（V） 输出光功率P（uW）
35 3.24 802.7 30 3.39 0.407 706.1 25 2.96 0.355 570.5 20 2.67 0.320 463.6 15 2.31 0.277 10 1.46 0.175 计算得到电流I（mA） 0.389 353.7 216.5 表1-1 实验结果记录表
9、将测得的电压，代入公式1-5中，计算得到检测器输出电流I，填入对应表格中。
六、实验测试结果分析
（1）根据测试结果，画出的1310nm光电检测器I-P特性曲线如下图：
（2）直线的斜率为：
K=
（3）检测器的响应度为：
R=
（4）检测器的量子效率
七、思考题
1、普通P-N结光检测器有什么缺点？
2、推导检测器响应度R与量子效率关系式。