光电子技术与应用考试题及答案2025年

光电子技术与应用考试题及答案2025年一、单项选择题（每题2分，共20分）1.半导体激光器（LD）实现受激辐射的必要条件是：A.粒子数反转且谐振腔损耗小于增益B.粒子数反转且谐振腔损耗大于增益C.热平衡状态且谐振腔损耗等于增益D.自发辐射占主导且谐振腔存在反馈答案：A2.下列关于光纤数值孔径（NA）的描述中，错误的是：A.NA=√(n₁²-n₂²)，n₁为纤芯折射率，n₂为包层折射率B.NA越大，光纤的集光能力越强C.多模光纤的NA通常小于单模光纤D.NA与光纤的入射角临界值相关答案：C3.光电倍增管（PMT）的核心工作原理是：A.内光电效应与二次电子发射B.外光电效应与载流子倍增C.光伏效应与雪崩击穿D.光电导效应与热电转换答案：A4.下列器件中，基于非线性光学效应的是：A.半导体激光器B.马赫-曾德尔电光调制器C.二次谐波发生器（SHG）D.PIN光电探测器答案：C5.对于发光二极管（LED）和半导体激光器（LD），以下描述正确的是：A.LED的光谱宽度比LD窄B.LD需要粒子数反转，LED不需要C.LED的调制速率通常高于LDD.LD的输出功率与注入电流呈线性关系答案：B6.光纤通信中，色散导致的主要问题是：A.信号幅度衰减B.信号脉冲展宽C.模式噪声增加D.非线性效应增强答案：B7.雪崩光电二极管（APD）的倍增因子M随反向偏压的变化规律是：A.偏压增大，M先增大后减小B.偏压增大，M单调增大至击穿C.偏压增大，M保持恒定D.偏压增大，M先减小后增大答案：B8.下列哪项不是激光的基本特性？A.高方向性B.高相干性C.宽光谱D.高亮度答案：C9.光调制器中，利用电光效应的是：A.声光调制器B.热光调制器C.铌酸锂马赫-曾德尔调制器D.半导体量子阱调制器答案：C10.超短脉冲激光（飞秒级）的产生主要依赖于：A.调Q技术B.锁模技术C.增益开关技术D.外腔反馈技术答案：B二、填空题（每空1分，共20分）1.激光产生的三个必要条件是______、______和______。答案：粒子数反转、谐振腔、增益大于损耗2.光纤的色散主要包括______、______和______三类。答案：模式色散、材料色散、波导色散3.半导体光电探测器的响应度R定义为______，单位是______。答案：输出光电流与入射光功率的比值；A/W4.非线性光学中，二阶极化强度P⁽²⁾与入射光场的关系为______（写出表达式）。答案：P⁽²⁾=ε₀χ⁽²⁾E²（ε₀为真空介电常数，χ⁽²⁾为二阶非线性极化率，E为光场强度）5.半导体激光器的阈值电流密度Jth与材料的______、______和______直接相关。答案：自发辐射系数、谐振腔损耗、模式限制因子6.光纤的损耗主要由______、______和______引起。答案：吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗7.光电导探测器的工作原理是基于______效应，其响应时间主要受限于______。答案：内光电（光电导）；载流子寿命8.锁模激光器中，主动锁模通过______实现，被动锁模通过______实现。答案：外调制器（如电光调制器）；可饱和吸收体三、简答题（每题6分，共30分）1.简述半导体激光器（LD）中纵模和横模的区别及对输出特性的影响。答案：纵模是沿谐振腔轴向的光场分布，由腔长和折射率决定，对应激光的波长（频率）；横模是垂直于谐振腔轴向的光场分布，反映光斑形状（如基模TEM₀₀为高斯分布）。纵模决定激光的单色性，多纵模会导致光谱展宽；横模影响光束质量，高阶横模会使光斑畸变、发散角增大，基模具有最佳方向性和相干性。2.比较PIN光电探测器与雪崩光电二极管（APD）的优缺点。答案：PIN探测器结构简单，噪声低（主要为散粒噪声和热噪声），工作偏压低（约5-10V），但无内部增益，灵敏度较低；APD利用雪崩倍增效应实现内部增益（M可达10-100），灵敏度高，适合长距离弱信号检测，但需要高偏压（几十至几百伏），倍增过程引入额外的倍增噪声（过剩噪声），且温度稳定性较差（需温度补偿）。3.分析光纤色散对高速光纤通信系统的影响，并说明降低色散的主要方法。答案：色散会导致光脉冲在传输过程中展宽，当脉冲展宽超过符号间隔时，会引起码间串扰（ISI），限制系统的传输速率和距离。降低色散的方法包括：（1）使用单模光纤（消除模式色散）；（2）设计色散位移光纤（DSF）或非零色散位移光纤（NZ-DSF），将零色散波长移至通信窗口（如1550nm）；（3）采用色散补偿技术（如色散补偿光纤、啁啾光纤光栅）；（4）使用相干通信与数字信号处理（DSP）补偿色散。4.说明电光调制器的工作原理，并列举一种典型电光材料及其优势。答案：电光调制器利用电光效应（外加电场引起材料折射率变化）改变光的相位、振幅或偏振态。以铌酸锂（LiNbO₃）马赫-曾德尔调制器为例，输入光分为两臂，臂上电极施加调制电压，通过泡克耳斯效应（线性电光效应）改变两臂折射率，引入相位差，经耦合器干涉后输出调制光。铌酸锂的优势包括：电光系数大、带宽宽（可达100GHz以上）、温度稳定性好、工艺成熟。5.解释非线性光学中的相位匹配条件，并说明其在二次谐波产生（SHG）中的作用。答案：相位匹配条件要求基频光（ω）与二次谐波（2ω）的波矢满足Δk=k₂ω-2kω=0，即两束光在介质中的传播速度相同（折射率相等，n(2ω)=n(ω)）。在SHG中，若不满足相位匹配，基频光与谐波光会因相位失配导致能量来回转换，平均转换效率极低；满足相位匹配时，能量可单向从基频光转移至谐波光，实现高效频率转换。四、计算题（每题8分，共32分）1.某GaAs半导体激光器的腔长L=250μm，折射率n=3.6，损耗系数α=10cm⁻¹，自发辐射因子β=10⁻⁵，增益系数g=α+1/L·ln(1/R₁R₂)（R₁=R₂=0.3）。求阈值增益gth和阈值电流密度Jth（假设载流子寿命τ=1ns，电子电荷e=1.6×10⁻¹⁹C）。答案：（1）阈值增益gth=α+(1/L)·ln(1/√(R₁R₂))？不，正确公式应为gth=α+(1/(2L))·ln(1/(R₁R₂))（考虑往返损耗）。代入数据：R₁=R₂=0.3，ln(1/(0.3×0.3))=ln(1/0.09)=2.407；L=250μm=2.5×10⁻²cm；gth=10cm⁻¹+(2.407)/(2×2.5×10⁻²cm)=10+48.14=58.14cm⁻¹≈58cm⁻¹。（2）阈值电流密度Jth=e·nth/τ，其中nth为阈值载流子浓度，由gth=σ(nth-n₀)（σ为受激发射截面，假设n₀≈0），但题目未给σ，可能需用另一种关系：Jth=(e·gth·τ)/(β·n)（经验公式）。假设σ=2×10⁻¹⁶cm²（典型值），则nth=gth/σ=58cm⁻¹/2×10⁻¹⁶cm²=2.9×10¹⁷cm⁻³；Jth=e·nth/τ=1.6×10⁻¹⁹C×2.9×10¹⁷cm⁻³/1×10⁻⁹s=4.64×10⁷A/m²=4.64×10³A/cm²（注：单位转换需注意，1cm³=10⁻⁶m³，故nth=2.9×10¹⁷cm⁻³=2.9×10²³m⁻³；Jth=1.6×10⁻¹⁹×2.9×10²³/1×10⁻⁹=4.64×10¹³A/m²？显然错误，正确应为nth单位为cm⁻³，τ单位为s，Jth=e·nth·v_g（v_g为群速度），可能题目简化为Jth=e·nth/τ，需重新核对。正确公式应为Jth=(e·d·nth)/τ，d为有源区厚度（假设d=0.1μm=1×10⁻⁵cm），则Jth=1.6×10⁻¹⁹C×1×10⁻⁵cm×2.9×10¹⁷cm⁻³/1×10⁻⁹s=4.64×10³A/cm²（最终答案以合理近似为准）。2.某单模光纤的色散系数D=17ps/(nm·km)，工作波长λ=1550nm，光源谱宽Δλ=0.5nm，计算传输100km后的脉冲展宽Δτ，并判断是否支持10Gbps（符号间隔T=100ps）的传输。答案：脉冲展宽Δτ=|D|·Δλ·L=17ps/(nm·km)×0.5nm×100km=850ps。10Gbps的符号间隔T=1/10Gbps=100ps，Δτ=850ps>T，会产生严重码间串扰，无法直接支持10Gbps传输（需色散补偿）。3.某PIN探测器的量子效率η=80%，工作波长λ=1310nm，计算其响应度R（h=6.626×10⁻³⁴J·s，c=3×10⁸m/s，e=1.6×10⁻¹⁹C）。答案：响应度R=η·e·λ/(h·c)代入数据：η=0.8，λ=1310nm=1.31×10⁻⁶m，R=0.8×1.6×10⁻¹⁹C×1.31×10⁻⁶m/(6.626×10⁻³⁴J·s×3×10⁸m/s)=0.8×1.6×1.31×10⁻²⁵/(1.9878×10⁻²⁵)≈(1.6768×10⁻²⁵)/(1.9878×10⁻²⁵)×0.8≈0.843×0.8≈0.674A/W。4.某非线性晶体用于二次谐波产生，基频光波长λ=1064nm，晶体的折射率n(ω)=1.85，n(2ω)=1.87。若采用角度相位匹配，求所需的匹配角θ（假设晶体为单轴晶体，寻常光折射率no=1.85，非寻常光折射率ne(θ)=√(no²sin²θ+ne²cos²θ)，ne=1.87）。答案：相位匹配要求n(2ω)=n(ω)，但此处n(2ω)（倍频光）作为非寻常光，n(ω)（基频光）为寻常光。设基频光为o光，折射率no=1.85；倍频光为e光，折射率ne(θ)=n(2ω)_eff。相位匹配条件：ne(θ)=no(ω)=1.85。ne(θ)=√(no²sin²θ+ne²cos²θ)=1.85代入no=1.85（基频o光），ne=1.87（倍频e光的主折射率），平方两边：1.85²=1.85²sin²θ+1.87²cos²θ整理：1.85²(1-sin²θ)+1.87²cos²θ=1.85²→1.85²cos²θ+1.87²cos²θ=1.85²→cos²θ(1.85²+1.87²-1.85²)=1.85²？不，正确展开应为：1.85²=1.85²sin²θ+1.87²(1-sin²θ)→1.85²=1.87²-(1.87²-1.85²)sin²θ→(1.87²-1.85²)sin²θ=1.87²-1.85²→sin²θ=1→θ=90°（矛盾，说明假设基频光为o光、倍频光为e光时无法匹配，可能需基频光为e光，倍频光为o光，或调整晶体类型）。正确方法：相位匹配条件为n(ω,θ)=n(2ω)，假设基频光为e光，折射率ne(θ)=√(no²sin²θ+ne²cos²θ)，倍频光为o光，折射率no=1.87（题目中n(2ω)=1.87）。则ne(θ)=no(2ω)=1.87即√(1.85²sin²θ+1.87²cos²θ)=1.87平方得：1.85²sin²θ+1.87²cos²θ=1.87²→1.85²sin²θ=1.87²(1-cos²θ)=1.87²sin²θ→(1.87²-1.85²)sin²θ=0→sinθ=0→θ=0°（同样矛盾，说明需重新核对参数，可能题目中n(ω)=1.85为基频o光，n(2ω)=1.87为倍频e光的主折射率，正确相位匹配条件为n(ω)_o=n(2ω)_e(θ)，即1.85=√(no(2ω)²sin²θ+ne(2ω)²cos²θ)，假设no(2ω)=1.87（倍频o光折射率），ne(2ω)=1.85（倍频e光折射率，负单轴晶体），则：1.85=√(1.87²sin²θ+1.85²cos²θ)平方得：1.85²=1.87²sin²θ+1.85²cos²θ→1.85²(1-cos²θ)=1.87²sin²θ+1.85²cos²θ-1.85²→0=sin²θ(1.87²-1.85²)→sinθ=0→θ=0°（仍矛盾，可能题目数据简化，正确答案为通过角度调整使n(2ω)=n(ω)，此处Δn=1.87-1.85=0.02，需计算θ使得ne(θ)=1.85，最终θ≈arcsin(√[(ne²-n_match²)/(ne²-no²)])，代入no=1.85，ne=1.87，n_match=1.85，得θ=90°，即临界相位匹配。）五、综合分析题（每题9分，共18分）1.设计一个5G前传光模块（25Gbps，波长1310nm，传输距离10km），需考虑哪些光电子器件的选择与参数优化？请从光源、调制器、探测器、光纤四方面展开。答案：（1）光源：选择25Gbps高速半导体激光器，需满足：①高调制速率（-3dB带宽>15GHz），可采用DFB-LD（分布反馈激光器）保证单纵模输出（抑制模式色散）；②低啁啾（线宽<100MHz），减少色散导致的脉冲展宽；③工作温度稳定性（-40℃~85℃），需集成TEC（热电制冷器）或选择无制冷设计（EML可能更优）。（2）调制器：25Gbps速率下，直接调制（DML）可能因啁啾导致色散容限不足（10km传输时，1310nm光纤色散约17ps/(nm·km)，DML啁啾系数α≈3，总色散展宽Δτ=α·λ²/(4πc)·D·L，需α<2），故优选外调制器（如电吸收调制器EML，集成DFB+EA调制器），EA调制器啁啾系数可接近0，适合长距离传输。（3）探测器：选择25GbpsPIN或APD探测器。PIN探测器噪声低，10km传输光功率较高（-14dBm左右），PIN（响应度≈0.8A/W）输出电流约0.8×10^(-14/10)mW=0.8×0.0398mA≈31.8μA，经跨阻放大器（TIA）可满足信噪比要求；若链路损耗大（如光纤老化），可选用APD（倍增因子M=10，响应度≈8A/W），但需注意倍增噪声（过剩噪声因子F(M)=M^x，x≈0.3~0.5）。（4）光纤：选用G.652单模光纤（1310nm窗口色散最低），衰减约0.35dB/km，10km总衰减3.5dB，加上连接器