《光纤通信》第3章课后习题答案

11．计算一个波长为1m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834206310//6.63101.991010cmsEhfhcJsJm对1MHz和100MHz的无线电的光子能量分别为346286.63101106.6310cEhfJsHzJ346266.6310100106.6310cEhfJsHzJ2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/IWcm。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电池上每平方米板上的光子数。解：光子数为3484441660.146.63103101010103.98100.710cIIhcnhf3．如果激光器在0.5m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34821616.63103103.98100.510cIIhcnhf4．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？2答：阈值增益为1211ln2thGLrr其中是介质的损耗系数，12,rr分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益thGG时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/Ehc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/Ehc得到2hcE，于是得到2Ehc，可见当E一定时，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P+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π层），最后一层是一个N+（N+是N型重掺杂）层。高场区是P区，耗尽区是Pπ区。9．一个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，那么（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；（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c。解：（1）量子效率为1/30.333（2）由量子效率//ppininIeIhvPhvPe得到8/2.21022/ppininIeeIPAnAPhvhc（3）GaAsPIN的禁带宽度为1.424gEeV，则截止波长为1.241.24()0.871.424gmmE10．什么是雪崩增益效应？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－空穴可以获得很高的能量。他们高速碰撞在价带上的电子，使之电离，从而激发出新的电子－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1.3m和1.55m波长时的响应度，说明为什么在1.55m处光电二极管比较灵敏。解：1.3m时的响应度为()0.81.30.84/1.241.24mRAW；1.55m时的响应度为()0.81.551/1.241.24mRAW。因为响应度正比于波长，故在1.55m处光电二极管比1.3m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，漏电流噪声和热噪声。补充题1．一束光在介质中传播时，其光强I随传播距离z的变化通常表示为()0GzIIe，其中0I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IdI，在光4放大时0dI，可写成dIGIdz，即/dIIGdz，若G为常数，则积分得到0GzIIe；在衰减时，0dI，可写成dIIdz，即/dIIdz，若为常数，则积分得到0zIIe；所以，当光放大和光衰减同时存在时，便有()0GzIIe。显然，此式成立的条件是：,G都与,Iz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12,rr，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1211ln2GLrr解：在谐振腔内任取一点z，此点光强()Iz，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()212(2)()GLIzLIzrre显然，产生激光的条件为返回z点的光强要大于z点发出的光强(2)()IzLIz即()212()()GLIzrreIz，得到()2121GLrre，因而1211ln2GLrr记1211ln2thGLrr，是谐振腔的总损耗，只有增益thGG时，才能产生激光，故把thG叫激光器的阈值条件。