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自上世纪六十年代问世以来[1]，半导体激光器以其质量轻、体积小、成本低、可直接调制、转换效率高、寿命长、易于集成等独特优势而成为光纤通信系统中不可替代的重要光源[2-3].其发展速度之快、波长覆盖范围之宽和应用范围之广是其他激光器所无法比拟的.而对于半导体激光器输出特性的实验研究是光纤通信课程中不可缺少的实验教学内容[4].目前实验教学中通常采用封装好的半导体激光器进行测试，学生只需加上电流并读出激光器输出功率即可得到该激光器的P-I曲线，而学生不能对其他参数进行调节，也无法全面地了解半导体激光器工作的原理以及各类参数对激光器输出的影响.因此，有必要开发出一套半导体激光器虚拟实验系统，使学生能够在课堂以及课下进行更加全面的仿真操作，有助于学生更加深入地掌握实验内容.基于此，本文利用半导体激光器速率方程及图形化编程语言LabVIEW开发出半导体激光器虚拟实验系统.
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系统的结构示意图如图 1所示.半导体激光器由电流模块(CC)和温控模块(TC)控制，可以精确地调节其偏置电流和温度，激光器输出的光由分束器1(OC1)分为两束，一束进入功率计(PM)探测激光器的输出功率，另一束被分束器2，3(OC2，OC3)分为三束，一束进入光谱仪(OSA)探测输出激光的波长、另两束分别通过光电探测器1，2(PD1，PD2)后进入实时示波器(OSC)和频谱分析仪(ESA)，分别探测激光器输出的波形和频谱.
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描述半导体激光器输出特性的速率方程为[5]
其中A，φ，n分别表示激光场振幅、相位和载流子浓度，Gn为光增益系数，nth为阈值载流子浓度，n0为透明载流子浓度，α为线宽增强因子，J为注入电流密度，e为电子电量，d为激活层厚度，τs为载流子寿命.该速率方程组能够描述半导体激光器运行情况，通过利用四阶龙格库塔法数值求解该方程组，就可以获得半导体激光器输出特性.
本虚拟实验系统就是基于该理论模型，实现对半导体激光器测试实验的理论模拟仿真，从而使学生能够更加深入广泛地了解半导体激光器的工作原理以及影响半导体激光器工作特性的因素.而且，通过本虚拟实验系统，学生能够通过调节通常实验中无法调节的参数，来考察半导体激光器的输出特点，实现了对实际的实验操作的一种扩展，作为一种辅助手段，能够显著地提高实验教学的效果.
1.1. 系统结构
1.2. 理论模型
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半导体激光器的工作原理比较复杂，而传统的测试实验比较简单，学生只能观察到简单的现象，通常只需要绘制出该激光器的P-I曲线就可以了，但学生对于半导体激光器的工作原理以及影响其输出特性的因素等基本没有任何印象，因此，为学生提供一套半导体激光器测试的虚拟实验系统，让老师在课堂上进行讲解，让学生在课下进行模拟仿真，有助于学生更加深入牢固地掌握实验教学的内容.
在各种虚拟仪器开发平台中，LabVIEW作为图形化编辑语言具有其独特的优势[6]. LabVIEW采用数据流编程方式，直观易懂，并提供很多外观与传统仪器(如示波器、频谱仪、光谱仪等)类似的控件，可用来方便地创建用户界面，能够开发出交互性很强的虚拟仪器.近年来，随着教学手段的日益多样化，LabVIEW在高校实验教学中的重要作用正逐渐显现，已经涌现出一系列有实践意义的研究成果[7-12].因此，本文开发出一套基于LabVIEW的半导体激光器虚拟实验系统.
如图 2所示，该虚拟实验系统操作界面分为3个区域，左边区域为激光器参数设定区，这里列出了几个半导体激光器的重要参数以及描述激光器运行的速率方程组.其中Gn为增益系数，τs为载流子寿命，nth为阈值载流子密度，n0为透明载流子密度，α为线宽增强因子，d为激活层厚度，T为温度.激光器初始运行条件在该区域进行设定.右边区域为激光器P-I曲线测定区，通过设定激光器注入电流的初始值、步长以及组数，可以控制电流从小到大或从大到小进行扫描，模拟出该激光器在不同注入电流下的输出功率，绘制出相应的P-I曲线，并依此计算出该激光器的阈值电流Ith.中间区域为激光器输出光谱测定区，在设定的参数下，系统能够计算出该状态下激光器输出的光谱图，从而测定激光器输出的中心波长等参数.为了实现本系统的功能，本文主要的工作是需要求解出半导体激光器的速率方程，获得激光器输出的激光电场强度随时间的变化规律并由此显示不同运行条件下半导体激光器的输出特性.为此我们在程序框图设计中调用了LabVIEW的“数学”-“常微分方程”目录下的“ODE库塔四阶方法”子VI对速率方程进行求解.利用数值求解结果，进一步调用“信号处理”-“变换”目录下的“FFT”子VI能够获得激光器输出的光谱.
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半导体激光器最重要的基本参数就是阈值电流Ith，实验中可以通过测定P-I曲线来获得Ith.该虚拟实验系统能够测量不同运行条件下半导体激光器的P-I曲线，并测定其阈值电流Ith.图 3(a)为激光器参数设定，(b)为该运行条件下测得的P-I曲线.
当激光器参数设定如图 3(a)所示时，系统运行即获得了图 3(b)所示在此条件下激光器的P-I曲线，并由此测量数据根据直线拟合法算出此时的激光器阈值电流为10.2 mA.由此图可以看出，当激光器的偏置电流小于10.2 mA时，激光器输出的功率非常低，此时激光器处于自发辐射状态，无法输出激光；而当偏置电流达到10.2 mA以后，激光器的输出功率迅速增加，并与电流成正比例变化，此时激光器处于受激辐射状态，即输出激光.而光纤通信实验中所需要的光源必须是激光光源，因此就规定了实验中偏置电流的选取范围.
当激光器参数设定如图 4(a)所示时，系统运行获得的P-I曲线如图 4(b)所示.在该运行条件下，模拟得到的激光器的阈值电流为17.3 mA.由于此次变化的参数只有载流子寿命τs，因此通过多次模拟可以发现，激光器的阈值电流随着载流子寿命的减小而增大.此外，通过模拟还发现，激光器的阈值电流随阈值载流子密度nth的增加而增大，随激活层厚度d的增加而增大.
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半导体激光器的另外一个重要的输出特性就是其光谱图，即激光器输出波长.由于在光纤通信实验中，对激光的波长具有较严格的要求，其波长必须位于光纤的几个通信窗口，其中最常用的通信波长为1 550 nm.该虚拟实验系统能够模拟不同实验条件下的激光器输出光谱，并由此确定其中心波长.
当半导体激光器运行参数为图 5(a)所示且偏置电流为9.5 mA时，激光器输出的光谱图为图 5(b)所示.而此条件下激光器的阈值电流为10.2 mA时，即激光器工作在阈值以下.
由以上的分析可知，当激光器工作在阈值以下时，激光器处于一种自发辐射的状态.由图中可以看出，该状态的激光输出功率很低，而且其光谱相对较宽，所包含的波长成分较多.
图 6所示为其他条件不变的情况下，激光器偏置电流增大到10.5 mA时，激光器输出的光谱图.由此可见，此时激光器工作在阈值以上时，激光输出功率迅速增大，且光谱突然变窄，在其中心波长处几乎为一条没有宽度的线，此时即为受激辐射，而发射出的激光的单色性非常好.同时，该系统测出此时激光器输出的中心波长为1 550.03 nm.同样，影响激光器输出波长的因素也有很多，图 7所示为当温度降低到290 K时激光器的输出光谱图.
由图中可以看出，当温度降低时，激光器输出的中心波长会向短波方向移动，相反，当温度升高时，激光器的中心波长会向长波方向移动.此外，模拟结果还发现，半导体激光器的发射波长会随着偏置电流的增大而变长.
2.1. 系统简介
2.2. 半导体激光器的P-I曲线
2.3. 半导体激光器输出的光谱
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通过与实验测试结果相对比，该虚拟实验系统能够准确地模拟光纤通信实验中半导体激光器性能测试的实验内容.利用该虚拟系统，本文主要分析了半导体激光器的P-I曲线(阈值电流Ith)和激光器输出的光谱图的模拟结果，通过参数的设定，能够改变相应激光器的输出特性，这对于加深学生对半导体激光器的工作特性的理解具有很好的辅助作用，再结合具体的实验操作，能够使学生更好地掌握相关的内容，从而达到实验教学的要求.该系统无论是作为课前预习或课堂演示，都能够起到比较好的教辅作用.
此外，该系统具有较好的延展性，还可为相关专业研究生提供学习辅助.在后期的开发中能够继续扩展其模拟功能，比如进一步测量激光器输出的频谱特性，当激光器受到微扰时的动态特性等，均可在该系统中实现.
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