《光纤通信》第3章作业答案

1、第3章习题及答案一. 填空1. 对于二能级原子系统，要实现光信号的放大，原子的能级分布必须满足髙能级粒子数大于低能级粒子 数，即粒子数反转分布条件。2. 一个电路振荡器，必须包括放大部分、振荡回路和反馈系统。而激光振荡器也必须具备完成以上功能的部件，故它也包括三个部分：能够产生激光的工作物质,能够使工作物质处于粒子数反转分布的,能够完成频率选择及反馈作用的。答案：工作物质，泵浦源，光学谐振腔3. 半导体光放大器的粒子数反转可通过对PN节加偏压来实现。PN结加上这种偏压后，空间电荷区变窄，于是N区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，使得P区和N区的少数载流子增加。 当偏压足够大时，增加的少数

2、载流子会引起粒子数反转。答案：正向。4. 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，表明振荡产生了激光，把这个电流值叫,用几表示。当I 4时，激光器发出的是,光谱突然变得很窄，谱线中心强度急剧增加，表面发出的是激光。答案：阈值电流，荧光，激光。5. 彩响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角越大，耦合效率越;数值孔径越大，耦合效率越。答案：低，高。6. 激光和光纤的耦合方式有直接耦合和透镜耦合。当发光面积大于纤芯截面积时，用:当发光面积小于纤芯截面积时，用。答案：透镜耦合，直接耦合。（课本上有误）7. 半导体激光器其光学谐振腔的谐振条件或驻波条件是o

3、答案：2 =（或久=竺）。qq8. 判断单模激光器的一个重要参数是,即最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。答案：边模抑制比。二. 判断题1. 电子服从费米能级分布，即在热平衡条件下，占据能级低的概率大，占据能级高的概率小。（）正确2. 自发辐射的光子方向是随机的，发出非相干光，且不需要外来光场的激励。（）正确3. LED与单模光纤的耦合效率低于LD与单模光纤的耦合效率，边发光比面发光LED耦合效率低。（） 错误，边LED比面LED耦合效率高4. 光检测器要产生光电流，入射光波长必须大于截止波长，所以长波长检测器能用于短波长检测。（） 错误。应该小于。5. 设计工作于1.55 um的光检测器

4、同样能用作1.3 um的光检测器，且在长波长灵敏些。（） 正确。因为在一定波长工作的光检测器能工作于更短的波长。三. 选择题1. 对于半导体激光器的结构，下列说法错误的是（）A. F-P激光器是多模，DFB和DBR激光器是单模激光黠B. 光学谐振腔可以是平面腔也可是球面腔C. 要求全反射镜的反射系数/ 1,部分镜的反射系数r = lD. 只有当外加正向电流达到某一值时，才会产生激光答案：C,应该是要求全反射镜的反射系数部分镜的反射系数;12. 对于激光器的温度特性下列说法错误的是（）A. 随温度的升高，阈值电流减小B. 随温度的升高，量子效率减小C. 结发热效应会引起脉冲失真D. 可用环境温度

5、控制法和半导体致冷器进行温度控制 答案：A3. 下列说法错误的是（）A. PIN吸收一个光子只产生一个电子B. APD能产生二次电子-空穴对C. APD吸收一个光子只产生一个电子D. APD和PIN都是加负偏压 答案：C三.问答1. 何谓F-P激光器、DFB激光器、DBR激光器？答：F-P激光器叫法布里-珀罗（Fabry-Perot）激光器，属于多模LD。它是利用有源区晶体的天然解 理面构成光学谐振腔（叫法布里-珀罗谐振腔），这种谐振腔属于平行端面反射型。DFB激光器叫分布反馈（Distributed Feedback）激光器，属于单模LD。DFB激光器的谐振腔不是平 行端面反射型，而是沿有源

6、区纵向制成周期性的光栅，通过光栅的每个斜面反射回一部分光（叫布拉格反 射作用）来形成谐振腔。DBR激光器叫分布布拉格反射（Distributed Bragg Ref lector）激光器，属于单模LD。DBR激光器的 谐振腔也不是平行端面反射型，而是在有源区两个端面外制成周期性的光栅，通过两个光栅的布拉格反射 作用来形成谐振腔。2. LED与LD发射的光子有什么不同？答：LED是因自发辐射而发光的，发射的光子频率、相位、偏振状态及传播方向是无规律的，输出具 有较宽的频率围的非相干光。LD是因受激发射而发光的，发射的光子同频、同相、同偏振方向，输出相干 光。3. 列表说明PIN和APD的结构、工

7、作电压、工作机理之特点。特点PINAPD结构薄的p区和n区之间夹入较 厚的I区，1区是耗尽区（光 子吸收区）薄的重掺杂P+区和n+区之间夹入较厚的I区和薄 的P区，I区是耗尽层区（光子吸收区），区是碰 撞电离区（比I区电场大）工作电压负偏压（几至几十伏）负偏压（几十至几百伏）工作机理1入射光子在I区受激吸收 产生一次电子-空穴对2 次电子和空穴在I区强 电场作用下分别向n区和p 区快速漂移形成一次光生 电流1入射光子在I区受激吸收产生一次电子-空穴对 2 一次电子和空穴在I区强电场作用下分别向n 区和P区快速漂移形成一次光生电流。其中达到 P区的一次电子在p区更强电场作用下获得更大 加速，碰撞

8、原子产生二次电子-空穴对3二次电子和空穴继续加速，碰撞原子产生三次 电子-空穴对形成雪崩倍增。四计算证明题1. 试证明：长波长光源的谱线宽度要大于短波长光源的谱线宽度。heJ2解：因为E = hv = .所以AE = - zU,故得到AA = AE2力he可见：当（能量变动围）固定时，则pU| （波长变动围）与；I?成正比。2. 理论指出，LD的纵模频率间隔J/=.其中是谐振腔半导体材料的折射率，厶是谐振腔的长度。2nL若某一 GaAs激光二极管的2 = 850/7/77,厶= 0.5劝，“ = 3.7,试问该激光器的纵模波长间隔是多少？解：因为/=c/2,所以J/ = -（c/22）JAo若

9、4/和旅都取绝对值，则得纵模波长间隔为2 21 2A QC24几=一 4/ = 0.195x10 “ ? = 0.195mnc 2nL 2x3.7x5003. 已知GaAs激光二极管的中心波长为0.85/?,谐振腔长为04?。材料折射率为3.7。若在0.80/20.90/7?围，该激光器的光增益始终大于谐振腔的总衰减，试求该激光器中可以激发的纵模数量。解：由于纵模波长间隔山为2 -2 2Q处十范=265 = 244灯讪=.244塚所以，可以激发的纵模数量为900-800100= 410 AA 0.2444.已知LD的波长为131“川，微分量子效率为10%,试求该LD的P-I特性曲线的斜率，此斜

10、率是否包含阈值电流以下的部分？答：LD的徽分量子效率为P/hfA/ ! e所以，LD的P-1特性曲线的斜率为APa7= 0.1x=0.0956.626XKT34 八 sx3xl0S?/s1.31/xl.6xlO,9C此斜率不包含阈值电流以下的部分。5. LED的量子效率定义为输岀光子数 Plhf注入电子数一 12若波长1312的LED,当驱动电流为50mA时，产生2mW的输出光功率。试计算量子效率。解：量子效率为_P/hf _ 2mW AeI / e 5Ol4 heM M.1.31/?xl.6xlO19C a “=0.04V x= 4.2%6.626x10“J-5x3x10 /7z/56.若L

11、ED的波长为0.85/n ,正向注入电流为50诅，量子效率为0. 02.求LED发射的光功率有多大？解：由上题知LED的量子效率为Plhf _P入e 厂777说= 0.02x所以x 50mA = 1 A62mW6.626X1CT34 丿注 x3xlO$0.85/?xl.6xl0-,9C- 7.已知：(1) Si-PIN光电二极管，量子效率77 = 0.7，波长A = 0.85/?； (2) Ge光电二极管 = 0.4, 2 = 1.6/? o计算它们的响应度R。解：(l)Si-PIN 光电二极管：R = (” = 7X02 = 0.48OA/W ； 1.241.24(2) Ge 光电二极管：R = /Z(/Z/)=(UX 1-6 = 0.516A/1V 01.241.24说明在长波长比较灵敏些。& 一个光电二极管，当2 = 1310/wn时，响应度为0. 6A/W,计算其量子效率。解：量子效率n = 0.57A(/n)1.319.试证明：带隙耳用eV (电子伏)作单位时,耳与发光波长期“ ?)之间的关系为:1.24兄（“2）证明：因为E=26.626 x 10一7 丿 s x 3 x 10加 / sA19.878x104叮 “也 _ 19.878x104丿lcV = 1.6x 1 O19C V = 1.6x 1 O19 J ,故得到厂 19.878xlO