《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 qλ=）。

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，DFB 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1r=r<，部分镜的反射系数1D．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<r=，部分镜的反射系数12．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（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hcE hv λ==，所以2hcE ∆∆λλ=-，故得到2E hc λ∆λ∆=-可见：当E ∆（能量变动范围）固定时，则λ∆（波长变动范围）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 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22230.850.195100.19522 3.7500f 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≤≤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∆λ为22230.850.244100.24422 3.7400f m nm c nL λλ∆λ∆μ-====⨯=⨯⨯ 所以，可以激发的纵模数量为 9008001004100.244∆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 eη∆=∆ 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 Cημ--∆=∆⨯⋅⨯⨯=⨯=⨯⨯ 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若波长1.31m μ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19348/2/501.31 1.6100.04 4.2%6.62610310/d P hf mW e I e mA hc m C V J s m sλημ--==⨯⨯=⨯=⨯⋅⨯⨯ 6．若LED 的波长为0.85m μ，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//d P hf P e I e Ihcλη== 所以 348196.62610310/0.0250 1.4620.85 1.610dhc P I e J s m s mA mW m C ηλμ--=⨯⋅⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯ 7．已知：（1）Si-PIN 光电二极管，量子效率0.7η=，波长0.85m λμ=；（2）Ge 光电二极管0.4η=，1.6m λμ=。

计算它们的响应度R 。

解：（1）Si-PIN 光电二极管：()0.70.850.480/1.24 1.24m R A W ηλμ⨯===； （2）Ge 光电二极管：()0.4 1.60.516/1.24 1.24m R A W ηλμ⨯===。

说明在长波长比较灵敏些。

8．一个光电二极管，当1310nm λ=时，响应度为0.6A/W ，计算其量子效率η。

解：量子效率1.24 1.240.60.57() 1.31R m ηλμ⨯=== 9．试证明：带隙g E 用eV （电子伏）作单位时，g E 与发光波长()m λμ之间的关系为： 1.24()g E m λμ=证明：因为3486.62610310/g hcJ s m sE λλ-⨯⋅⨯⨯==202019.8781019.87810()J mJ m μλλμ--⨯⋅⨯== 19191 1.610 1.610eV C V J --=⨯⋅=⨯，故得到201919.87810 1.241.610()()g J E J m m λμλμ--⨯==⨯⨯ 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 μ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1/30.33η== （2）由量子效率//p p in in I eI hv P hv P e η==⋅得到 8/ 2.21022/p p in in I e e I P A nA P hv hc ηλ-===⨯=。