光电技术试题及答案解析

光电技术试题及答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分）1.光电效应中，当入射光频率ν大于阈值时，逸出电子的最大初动能与ν的关系是A.与ν无关B.与ν成正比C.与ν成反比D.与ν2答案B2.光电探测器响应度R的定义是A.RB.RC.RD.R答案A3.CCD中电荷转移效率η通常接近A.0.9B.0.99C.0.9999D.0.5答案C4.单模光纤中传输的模式数为A.0B.1C.2D.任意多个答案B5.激光器纵模间隔ΔνA.谐振腔长度LB.增益介质种类C.泵浦功率D.输出镜透射率答案A6.PIN光电二极管中I层的主要作用是A.增加光吸收深度B.提高量子效率C.减小结电容以提高响应速度D.增大暗电流答案C7.阶跃光纤中发生全反射时，纤芯内的入射角θ必须满足A.sinB.sinC.sinD.cos答案A8.波长λ=A.1.24eVB.2.48eVC.3.72eVD.4.96eV答案B9.下列探测器中内部无增益机制的是A.光电倍增管B.PIN光电二极管C.雪崩光电二极管D.光电导探测器答案B解析PIN光电二极管工作于光电模式时无内部放大；光电倍增管、雪崩光电二极管及光电导探测器均具有一定的内部增益。10.对于电光调制晶体，半波电压Vπ与晶体长度LA.VB.VC.VD.V答案B解析半波电压Vπ=λ二、填空题（每题2分，共20分）1.光电效应的爱因斯坦方程为Ek=h答案逸出功（或功函数）2.光纤通信中常用的低损耗窗口波长有850nm、1310nm和______nm。答案15503.激光器产生激光必须满足的三个条件是：粒子数反转、谐振腔和______。答案阈值条件4.光电探测器的响应度常用单位是______。答案A/W5.CCD的中文全称是______。答案电荷耦合器件6.利用泡克尔斯效应制成的电光调制器中，使输出光强从最大变为最小所需的电压称为______。答案半波电压（或Vπ7.光在介质中的折射率n与光速v的关系为n=c/v，其中答案介质中的光速8.半导体本征吸收的波长阈值λg与禁带宽度Eg满足关系λg答案急剧下降（或很小）9.光电导探测器的时间常数主要取决于光生载流子的______。答案寿命10.多模光纤中，限制传输带宽的主要因素是______。答案模式色散三、简答题（每题6分，共30分）1.简述光电效应与光热效应的主要区别。答案（1）光电效应是光子直接与电子作用，使电子逸出（外光电效应）或跃迁至导带（内光电效应），产生电信号；响应速度快，对波长敏感。（2）光热效应是材料吸收光能后温度升高，导致电阻、热电电动势等物理性质变化；响应速度较慢，输出与光强相关，与波长关系较小（宽带响应）。解析光电效应通常用于快速光探测，而热释电、热电偶等属于光热效应器件。2.说明PIN光电二极管的工作原理及其相对于普通PN结光电二极管的优点。答案PIN光电二极管在P型区和N型区之间插入一本征（I）层，形成较宽的耗尽层。优点：（1）耗尽层宽，光吸收区大，量子效率高；（2）结电容小，响应速度快；（3）暗电流小，线性度好。解析普通PN结耗尽层窄，高频性能较差，PIN管针对这些弱点做了改进。3.简述光在阶跃折射率光纤中的传输原理，并写出数值孔径NA的定义及表达式。答案光从高折射率纤芯射向低折射率包层，当入射角大于全反射临界角时发生全反射，光被约束在纤芯中沿锯齿形路径传输。数值孔径NA=n12−解析NA越大，光纤收集光的能力越强，但模式色散增大。4.比较半导体激光器（LD）与发光二极管（LED）在发光机制、光谱宽度和调制带宽方面的主要差异。特性LD（半导体激光器）LED（发光二极管）发光机制受激辐射自发辐射光谱宽度很窄（通常小于1nm）较宽（数十纳米）调制带宽高（可达GHz量级）较低（通常百MHz量级）阈值电流有阈值无阈值解析LD可用于高速长距离通信，LED则用于短距离低成本场合。5.阐述CCD的基本工作原理，并说明电荷转移的过程。答案CCD由一系列MOS电容组成，每个电容在栅极电压作用下形成势阱，可存储光生电荷。电荷转移是通过在相邻栅极上施加相位不同的时钟脉冲电压，使势阱依次变深或变浅，驱使电荷包逐步向输出端移动。常见的转移方式有两相、三相或四相时钟驱动。解析CCD的电荷转移效率需接近1，否则会丢失信息。四、计算题（每题10分，共30分）1.一光电探测器在入射光功率P=2 （1）求探测器的响应度R。（2）若负载电阻RL=50（3）若改用响应度R′答案（1）R（2）V（3）I解析响应度是描述光电转换效率的关键参数，数值越大表示灵敏度越高。2.一阶跃折射率多模光纤，纤芯折射率n1=1.48（1）计算数值孔径NA（2）求最大接收角θmax（3）若光纤浸入水中（折射率nw答案（1）N（2）θ（3）浸入水中时，光纤端面的有效数值孔径保持不变（纤芯‑包层相对折射率差未变），但集光能力受外部介质影响，实际耦合角度用外部折射率计算：NAwa解析数值孔径只取决于光纤结构，但外部介质改变可等效为系统数值孔径。3.一He‑