《光纤通信》第3章课后习题答案

1计算一个波长为的光子能量，分别对1MHz和100MHz的无线电做同样的计算。解：波长为的光子能量为对1MHz和100MHz的无线电的光子能量分别为2太阳向地球辐射光波，设其平均波长，射到地球外面大气层的光强大约为。如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。解：光子数为3如果激光器在上工作，输出1W的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。解：粒子数为4光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。5什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。6什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为其中是介质的损耗系数，分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2）7由表达式说明为什么LED的FWHM功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由得到，于是得到，可见当一定时，与成正比。8试画出APD雪崩二极管结构示意图，并指出高场区及耗尽层的范围。解：先把一种高阻的P型材料作为外延层，沉积在P+材料上（P+是P型重掺杂），然后在高阻区进行P型扩散或电离掺杂（叫层），最后一层是一个N+（N+是N型重掺杂）层。高场区是P区，耗尽区是P区。9一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对。假设所以的电子都被收集，那么（1）计算该器件的量子效率；（2）在波段接收功率是，计算平均是输出光电流；（3）计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点。解：（1）量子效率为（2）由量子效率得到（3）GaAsPIN的禁带宽度为，则截止波长为10什么是雪崩增益效应？答：一次光生载流子穿过一个具有非常高的电场高场区。在这个高场区，光生电子空穴可以获得很高的能量。他们高速碰撞在价带上的电子，使之电离，从而激发出新的电子空穴对。新产生的的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量，从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象叫雪崩效应。11设PIN光电二极管的量子效率为80%，计算在和波长时的响应度，说明为什么在处光电二极管比较灵敏。解：时的响应度为；时的响应度为。因为响应度正比于波长，故在处光电二极管比处灵敏。12光检测过程中都有哪些噪声？答：量子噪声，暗电流噪声，漏电流噪声和热噪声。补充题1一束光在介质中传播时，其光强随传播距离的变化通常表示为，其中为初始光强，为光强增益系数，为光强损耗系数。试推到这个式子，并说明此式成立条件。解：设光束通过厚度为的一层介质时，其光强由变为，在光放大时，可写成，即，若为常数，则积分得到；在衰减时，可写成，即，若为常数，则积分得到；所以，当光放大和光衰减同时存在时，便有。显然，此式成立的条件是：都与无关。补充题2设LD的光学谐振腔长为，谐振腔前、后镜片的光强反射系数分别为，谐振腔介质的光强损耗系数为，谐振腔的光强增益系数为，试证明：激光所要求的谐振条件（阈值增益条件）为解：在谐振腔内任取一点，此点光强，该光强向右传播到前镜片，经反射后向左传播到后镜片，再经过反射向右传播回到点，则光强变为