《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高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thI表示。当thII时，激光器发出的是，因此光谱很宽，宽度常达到几百埃；当thII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．影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。答案：2gLq（或2nLq）。8．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1.55μm的光检测器同样能用作1.3μm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激光器是单模激光器2B．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1r，部分镜的反射系数1rD．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1r，部分镜的反射系数1r2．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（DistributedFeedback）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（DistributedBraggReflector）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范围的非相干光。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，I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。3四．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。解：因为hcEhv，所以2hcE，故得到2Ehc可见：当E（能量变动范围）固定时，则（波长变动范围）与2成正比。2．理论指出，LD的纵模频率间隔2cfnL，其中n是谐振腔内半导体材料的折射率，L是谐振腔的长度。若某一GaAs激光二极管的850nm，0.5Lmm，3.7n，试问该激光器的纵模波长间隔是多少？解：因为/fc，所以2/fc。若f和都取绝对值，则得纵模波长间隔为22230.850.195100.195223.7500fmnmcnL3．已知GaAs激光二极管的中心波长为0.85m，谐振腔长为0.4mm。材料折射率为3.7。若在0.800.90mm范围内，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为22230.850.244100.244223.7400fmnmcnL所以，可以激发的纵模数量为9008001004100.2444．已知LD的波长为1.31m，微分量子效率为10%，试求该LD的P-I特性曲线的斜率，此斜率是否包含阈值电流以下的部分？答：LD的微分量子效率为//dPhfIe所以，LD的P-I特性曲线的斜率为348196.62610310/0.10.0951.311.610dPhfIeJsmsmC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//dPhfIe输出光子数注入电子数4若波长1.31m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19348/2/501.311.6100.044.2%6.62610310/dPhfmWeIemAhcmCVJsms6．若LED的波长为0.85m，正向注入电流为50mA，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//dPhfPeIeIhc所以348196.62610310/0.02501.4620.851.610dhcPIeJsmsmAmWmC7．已知：（1）Si-PIN光电二极管，量子效率0.7，波长0.85m；（2）Ge光电二极管0.4，1.6m。计算它们的响应度R。解：（1）Si-PIN光电二极管：()0.70.850.480/1.241.24mRAW；（2）Ge光电二极管：()0.41.60.516/1.241.24mRAW。说明在长波长比较灵敏些。8．一个光电二极管，当1310nm时，响应度为0.6A/W，计算其量子效率。解：量子效率1.241.240.60.57()1.31Rm9．试证明：带隙gE用eV（电子伏）作单位时，gE与发光波长()m之间的关系为：1.24()gEm证明：因为3486.62610310/ghcJsmsE202019.8781019.87810()JmJm191911.6101.610eVCVJ，故得到5201919.878101.241.610()()gJEJmm10．一个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。（1）计算该器件的量子效率；（2）在0.8m波段接收功率是710W，计算平均是输出光电流。解：（1）量子效率为1/30.33（2）由量子效率//ppininIeIhvPhvPe得到8/2.21022/ppininIeeIPAnAPhvhc