《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th I 表示。当th I I <时，激光器发出的是 ，因此光谱很宽，宽

度常达到几百埃；当th I I >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：2g L q λ=（或2nL q

λ=）。 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1.55 μm 的光检测器同样能用作1.3 μm 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，DF

B 和DBR 激光器是单模激光器

B．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1

r=

r<，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1

r<

r=，部分镜的反射系数1

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：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（Distributed Feedback）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（Distributed Bragg Reflector）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

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hc

E hv λ==，所以2hc

E ∆∆λλ=-，故得到2

E hc λ∆λ∆=-

可见：当E ∆（能量变动围）固定时，则λ∆（波长变动围）与2λ成正比。

2．理论指出，LD 的纵模频率间隔2c f nL

∆=

，其中n 是谐振腔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 λ=，0.5L mm =， 3.7n =，试问该激光器的纵模波长间隔是多少？ 解：因为/f c λ=，所以()2/f c ∆λ∆λ=-。若f ∆和∆λ都取绝对值，则得纵模波长间隔为

222

30.850.195100.19522 3.7500

f m nm c nL λλ∆λ∆μ-====⨯=⨯⨯ 3．已知GaAs 激光二极管的中心波长为0.85m μ，谐振腔长为0.4mm 。材料折射率为 3.7。若在0.800.90m m μλμ≤≤围，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∆λ为

22

2

30.850.244100.24422 3.7400

f m nm c nL λλ∆λ∆μ-====⨯=⨯⨯ 所以，可以激发的纵模数量为 900800

1004100.244

∆λ-== 4．已知LD 的波长为1.31m μ，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

//d P hf I e

η∆=∆ 所以，LD 的P-I 特性曲线的斜率为

348196.62610310/0.10.0951.31 1.610d P hf I e J s m s m C

ημ--∆=∆⨯⋅⨯⨯=⨯=⨯⨯ 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

//d P hf I e

η≡=输出光子数注入电子数