光纤通信课后习题答案0002

1、1.计算一个波长为1 m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 1m的光子能量为8E hfc hc /C34 ,3 10 m / S “20 ,6.63 10 J S 6 1.99 10 J10 m对1MHz和100MHz的无线电的光子能量分别为OQPE hfc 6.63 10 J s 1 10 Hz 6.63 10 JE hfc 6.63 10 34J s 100 106 Hz 6.63 10 26J2.太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7 m,射到地球外面大气层的光强大约为I 0.14W/cm2。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

2、电池上每平方米板上的光子数。解：光子数为n 丄104些104.14&6310 ： 31 081 043.98 1 0 1。hfc0.7 10 63 .如果激光器在0.5 m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348n f 匹咼十 3.98 10 214. 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Gth2 L r1r2其中

3、是介质的损耗系数，1,2分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益G Gth时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2）7.由表达式E he/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E he/得到E粤，于是得到2he E，可见当E定时， 与2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 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n层），最后一层是一个 N+ （N+是N型重掺杂）层。咼场区是P区，耗尽区是Pn区。9. 一个 GaAsPIN光电二极管平均每三个

4、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0.8 m波段接收功率是10 7W，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e。解：（1）量子效率为1/3 0.33（2）由量子效率_Lp2e丄卫得到Pn /hV Pn eIpFin 2.2 10 8A 22nAP Pn/hv he(3) GaAsPIN的禁带宽度为Eg 1.424eV，则截止波长为(m)催 0.87 mEg1.42410. 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，光生电子一空穴可以获得很咼的能

5、量。他们咼速碰撞在价带上的电子， 使之电离，从而激发出新的电子一空穴对。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1.3 m和1.55 m波长时的响应度，说明为什么在1.55 m处光电二极管比较灵敏。解：1.3 m 时的响应度为 R di 0.8 1.3 0.84A/W ;1.241.241.55 m时的响应度为 R 0.8 1.55 1A/W。1.241.24因为响应度正比于波长，故在1.55 m处光电二极管比1.3 m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，

6、漏电流噪声和热噪声。z的变化通常表示补充题1.一束光在介质中传播时，其光强I随传播距离为 I I0e(G )z,其中I0为初始光强，G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dz的一层介质时，其光强由I变为I dl，在光I Gzge放大时dI 0,可写成dI GIdz，即dI/I Gdz ,若G为常数，则积分得到I在衰减时，dI 0,可写成dI Idz，即dI/I dz,若为常数，则积分得到Iloe z所以，当光放大和光衰减同时存在时，便有l l0e(G )z。显然，此式成立的条件是：G,都与l,z无关。补充题2.设LD的光学谐振腔长为L,谐振腔前、后镜片的光强反射系数分别为ri,r2，谐振腔介质的光强损耗系数为，谐振腔的光强增益系数为G， 试证明：激光所要求的谐振条件(阈值增益条件)为G 丄in丄2 L rir2解：在谐振腔内任取一点z，此点光强l(z)，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z点，则光强变为l(z 2L) I(z)rir2e(G )2L显然，产生激光的条件为返回 z点的光强要大