《光纤通信》第3章作业答案

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髙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肖加____________ 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__________ ,用人表示。

当I < /,…时，激光器发岀的是 ____________,因此光谱很宽，宽
度常达到几百埃；当I > 4时，激光器发岀的是 __________ ,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而枳时，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：人旦（或）o
q q
8.判断单模激光器的一个重要参数是_____________ ，即最髙光谱峰值强度与次髙光谱峰值强度之比。

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，占据能级髙的概率小。

（）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，边发光比而发光LED耦合效率低。

（）错误，边LED比而LED耦合效率髙
4.光检测器要产生光电流，入射光波长必须大于截I上波长，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1.55 um的光检测器同样能用作1.3 u m的光检测器，且在长波长灵敏些。

（）正确。

因为在一立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
B.光学谐振腔可以是平而腔也可是球而腔
C.要求全反射镜的反射系数r<l,部分镜的反射系数;=1
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r = l,部分镜的反射系数r<l
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，疑子效率减小
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：A
3.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而构成光学谐振腔（叫法布里-珀罗谐振腔），这种谐振腔属于平行端而反射型。

DFB激光器叫分布反馈（Distributed Feedback）激光器，属于单模LD° DFB激光器的谐振腔不是平行端而反射型，而是沿有源区纵向制成周期性的光栅，通过光栅的每个斜而反射回一部分光（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（DisiribiHcd Bragg Reflector）激光器，属于单模LD。

DBR激光器的谐振腔也不是平行端而反射型，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。

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。

he he J2
解：因为E = hv =— ,所以AE = -- zU,故得到AA = —AE
2 力he
可见：当（能量变动范围）固泄时，则4刈（波长变动范用）与，成正比。

2.理论指岀，LD的纵模频率间隔J/ = —，其中〃是谐振腔内半导体材料的折射率，厶是谐振腔的长
2nL
度。

若某一 GaAs激光二极管的A = 850/wz?,厶=0.5〃劝，” = 3.7,试问该激光器的纵模波长间隔是多少？
解：因为f=c/A,所以Af = -[c/A2）AA o若4/•和旅都取绝对值，则得纵模波长间隔为
2 2 1 2 A QC2
Jz = —J/= —=—————= 0.195x10" “〃 ? = 0.195mn
c 2nL 2x3.7x500
3.已知GaAs激光二极管的中心波长为0・85“〃八谐振腔长为OAmm .材料折射率为3.7。

若在
0.80///H<2<0.90X//H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：由于纵模波长间隔触为
彳 2 J20 Q^2
处 L八范=2^00 = °244“如=°244^
所以，可以激发的纵模数量为
900-800 100 …
-------- = ------ = 410
AA 0.244
4.已知LD的波长为1.31///H,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
^P/hf %=^77_
A/ ! e
所以，LD的PJ特性曲线的斜率为
6.626x10® 八 sx3xl0'〃?/s
= 0.1x =0.095
1.31///»xl.6xlO",9C 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
=输出光子数_Plhf "”=注入
电子数一了7丁
若波长1.31///H的LED.当驱动电流为50mA时，产生2mW的输出光功率。

试讣算量子效率。

解：量子效率为
_P/hf _ 2mW Ae
"I / e 50〃L4he
M M... 1.31///??xl.6xlO"
19C A “
=0.04V x -------- -------------- --- = 4.2%
6.626x10“J-5x3x10 /7z/5
6.若LED的波长为0.85“〃?，正向注入电流为50/714 .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
Plhf _P入e
所以
= 0.02x
6.626X1CT34丿注 x3xl0'〃〃$
0.85////?xl.6xl0-,9C-
x 50mA = 1 A62mW
7.已知：(1) Si-PIN光电二极管，量子效率〃 = 0.7,波长2 = 0.85///?? ： (2) Ge光电二极管〃 = 0.4, 2 = 1・6〃用.计算它们的响应度Ro
解：(1) Si-PIN 光电二极管：R ="(x0小=0.48OA/ W ； 1.24 1.24
(2) Ge 光电二极管：R = -/2(///；?)=(Uxl- = 0.516A/VV o
1.24 1.24
说明在长波长比较灵敏些。

8. 一个光电二极管，当2 = 1310/w?时，响应度为0.6A/W,计算其量子效率〃。

解：量子效率
1.247? 1.24x0.6
n = ------ = ---------- = 0.57
1.31
9.试证明：带隙E,用eV (电子伏)作单位时，Q与发光波长2(/////)之间的关系为:
1.24
几
（“加
）证明:
he
因为E= — =
2
6.626 x 10一7 丿・ s x 3 x
10"加 / s
A
19.878x104叮“也 _ 19.878x104°丿
lcV = 1.6 x 1 O'19C • V = 1.6 x 1 O'19J ,故
得到
厂 19.878xlO-2o J 1.24
匕= ----------------- = ------
1.6 X 10" J X 2(/777?)几(/〃")
10. —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) 汁算该器件的量子效率：(2)在0.8/Z/H波段接收功率是10-7VV，计算平均是输岀光电流。

解:(1)量子效率为77 = 1/3 = 0.33
⑵由量子效率忙府
"粽T 晋恥 2.2®A = 22M。