光纖通信作業(yè)答案

1、第3章習(xí)題及答案1 對(duì)于二能級(jí)原子系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，原子的能級(jí)分布必須滿足高能級(jí)粒子數(shù)大于低能級(jí)粒子 數(shù)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件。2 一個(gè)電路振蕩器，必須包括放大部分、振蕩回路和反饋系統(tǒng)。而激光振蕩器也必須具備完成以上功能的部件，故它也包括三個(gè)部分： 能夠產(chǎn)生激光的 _工作物質(zhì)，能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的 ，能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫?。答案：工作物質(zhì)，泵浦源，光學(xué)諧振腔3 半導(dǎo)體光放大器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可通過對(duì)PN節(jié)加偏壓來實(shí)現(xiàn)。PN結(jié)加上這種偏壓后， 空間電荷區(qū)變窄，于是 N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，使得 P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子增加。當(dāng)偏壓足夠大時(shí)，增加的少數(shù)載

2、流子會(huì)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。答案：正向。4 對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，表明振蕩產(chǎn)生了激光，把這個(gè)電流值叫 ，用Ith表示。當(dāng)I Ith時(shí)，激光器發(fā)出的是 ，因此光譜很寬，寬度常達(dá)到幾百埃；當(dāng)I Ith時(shí)，激光器發(fā)出的是 ，光譜突然變得很窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表面發(fā)出的是激光。答案：閾值電流，熒光，激光。5 .影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角越大，耦合效率越;數(shù)值孔徑越大，耦合效率越 。答案：低，高。6激光和光纖的耦合方式有直接耦合和透鏡耦合。當(dāng)發(fā)光面積大于纖芯截面積時(shí)，用;當(dāng)發(fā)光面積小于纖芯截面積時(shí)，用 。答案：透鏡耦合，直接

3、耦合。（課本上有誤）7 .半導(dǎo)體激光器其光學(xué)諧振腔的諧振條件或駐波條件是答案:生（或q，即最高光譜峰值強(qiáng)度與次高光譜峰值強(qiáng)度之比。&判斷單模激光器的一個(gè)重要參數(shù)是 答案：邊模抑制比。二. 判斷題1電子服從費(fèi)米能級(jí)分布，即在熱平衡條件下，占據(jù)能級(jí)低的概率大，占據(jù)能級(jí)高的概率小。（）正確2 自發(fā)輻射的光子方向是隨機(jī)的，發(fā)出非相干光，且不需要外來光場(chǎng)的激勵(lì)。（）正確3. LED與單模光纖的耦合效率低于 LD與單模光纖的耦合效率，邊發(fā)光比面發(fā)光LED耦合效率低。（）錯(cuò)誤，邊LED比面LED耦合效率高4 光檢測(cè)器要產(chǎn)生光電流， 入射光波長(zhǎng)必須大于截止波長(zhǎng)，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)檢測(cè)器能用于短波長(zhǎng)檢測(cè)。（）錯(cuò)

4、誤。應(yīng)該小于。5設(shè)計(jì)工作于 卩m的光檢測(cè)器同樣能用作卩m的光檢測(cè)器，且在長(zhǎng)波長(zhǎng)靈敏些。（）正確。因?yàn)樵谝欢úㄩL(zhǎng)工作的光檢測(cè)器能工作于更短的波長(zhǎng)。三. 選擇題1. 對(duì)于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，下列說法錯(cuò)誤的是（）A. F-P激光器是多模，DFB和DBR激光器是單模激光器B. 光學(xué)諧振腔可以是平面腔也可是球面腔C. 要求全反射鏡的反射系數(shù)r 1，部分鏡的反射系數(shù)r 1D. 只有當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生激光答案：C,應(yīng)該是要求全反射鏡的反射系數(shù)r 1，部分鏡的反射系數(shù)r 12 對(duì)于激光器的溫度特性下列說法錯(cuò)誤的是（）A. 隨溫度的升高，閾值電流減小B. 隨溫度的升高，量子效率減小C. 結(jié)發(fā)熱

5、效應(yīng)會(huì)引起脈沖失真D. 可用環(huán)境溫度控制法和半導(dǎo)體致冷器進(jìn)行溫度控制答案：A3 .下列說法錯(cuò)誤的是（）A. PIN吸收一個(gè)光子只產(chǎn)生一個(gè)電子B. APD能產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)C. APD吸收一個(gè)光子只產(chǎn)生一個(gè)電子D. APD和PIN都是加負(fù)偏壓 答案：C三.問答1. 何謂F-P激光器、DFB激光器、DBR激光器答：F-P激光器叫法布里-珀羅（Fabry-Perot）激光器，屬于多模LD。它是利用有源區(qū)晶體的天然解理面構(gòu)成光學(xué)諧振腔（叫法布里-珀羅諧振腔），這種諧振腔屬于平行端面反射型。DFB激光器叫分布反饋（Distributed Feedback）激光器，屬于單模 LD。DFB激光器的諧振腔

6、不是平行 端面反射型，而是沿有源區(qū)縱向制成周期性的光柵，通過光柵的每個(gè)斜面反射回一部分光（叫布拉格反射 作用）來形成諧振腔。DBR激光器叫分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector）激光器，屬于單模 LD。DBR激光器的諧振 腔也不是平行端面反射型，而是在有源區(qū)兩個(gè)端面外制成周期性的光柵，通過兩個(gè)光柵的布拉格反射作用 來形成諧振腔。2. LED與LD發(fā)射的光子有什么不同答：LED是因自發(fā)輻射而發(fā)光的，發(fā)射的光子頻率、相位、偏振狀態(tài)及傳播方向是無規(guī)律的，輸出具 有較寬的頻率范圍的非相干光。LD是因受激發(fā)射而發(fā)光的，發(fā)射的光子同頻、同相、同偏振方向，輸出相干光。3 .列

7、表說明PIN和APD的結(jié)構(gòu)、工作電壓、工作機(jī)理之特點(diǎn)。特點(diǎn)PINAPD結(jié)構(gòu)薄的p區(qū)和n區(qū)之間夾入較 厚的1區(qū)，1區(qū)是耗盡區(qū)（光 子吸收區(qū)）薄的重?fù)诫sp+區(qū)和n+區(qū)之間夾入較厚的1區(qū)和薄 的p區(qū)，1區(qū)是耗盡層區(qū)（光子吸收區(qū)），區(qū)是碰 撞電離區(qū)（比1區(qū)電場(chǎng)大）工作電壓負(fù)偏壓（幾至幾十伏）負(fù)偏壓（幾十至幾百伏）工作機(jī)理1入射光子在1區(qū)受激吸收 產(chǎn)生一次電子-空穴對(duì)2 一次電子和空穴在 1區(qū)強(qiáng) 電場(chǎng)作用下分別向n區(qū)和p 區(qū)快速漂移形成一次光生 電流1入射光子在1區(qū)受激吸收產(chǎn)生一次電子 -空穴對(duì)2 一次電子和空穴在 1區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)作用下分別向n區(qū)和p區(qū)快速漂移形成一次光生電流。其中達(dá)到 p區(qū)的一次電子在 p

8、區(qū)更強(qiáng)電場(chǎng)作用下獲得更大 加速，碰撞原子產(chǎn)生二次電子 -空穴對(duì)3二次電子和空穴繼續(xù)加速，碰撞原子產(chǎn)生三次 電子-空穴對(duì)形成雪崩倍增。四. 計(jì)算證明題1 試證明：長(zhǎng)波長(zhǎng)光源的譜線寬度要大于短波長(zhǎng)光源的譜線寬度。解：因?yàn)镋hv竺，所以hc，故得到2Ehc2 .理論指出，LD的縱模頻率間隔fc，其中n是諧振腔內(nèi)半導(dǎo)體材料的折射率，L是諧振腔的長(zhǎng)2nL度。若某一 GaAs激光二極管的 少850nm,L 0.5mm, n3.7，試問該激光器的縱模波長(zhǎng)間隔是多解：因?yàn)閒 c/ ，所以 fc/ 2。若 f和都取絕對(duì)值，則得縱模波長(zhǎng)間隔為可見：當(dāng) E （能量變動(dòng)范圍）固定時(shí)，則（波長(zhǎng)變動(dòng)范圍）與2成正比。22

9、0.8522nL 2 3.7 50030.195 10 m 0.195 nm3 已知GaAs激光二極管的中心波長(zhǎng)為0.85 m，諧振腔長(zhǎng)為0.4mm。材料折射率為。若在0.80 m 0.90 m范圍內(nèi)，該激光器的光增益始終大于諧振腔的總衰減，試求該激光器中可以激發(fā)解：由于縱模波長(zhǎng)間隔為2 f220.85230.24410 m 0.244 nmc2nL2 3.7 400所以，可以激發(fā)的縱模數(shù)量為900 8001004100.2444 已知LD的波長(zhǎng)為1.31m，微分量子效率為10%，試求該LD的P-I特性曲線的斜率，此斜率是否包含的縱模數(shù)量。閾值電流以下的部分答：LD的微分量子效率為P/ hfI

10、 /e所以，LD的P-I特性曲線的斜率為PI0.1hfde6.626 10 34J s 3 108m/s石0.0951.31 m 1.6 10 19C此斜率不包含閾值電流以下的部分。5 LED的量子效率定義為輸出光子數(shù)P/hf注入電子數(shù)I /e若波長(zhǎng)1.31 m的LED,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為50mA時(shí)，產(chǎn)生2mW的輸出光功率。試計(jì)算量子效率。解：量子效率為P/hf d I /e2mW e50mA he0.04V1.31 m 1.6 1019C6.626 10 34 J s 3 108m/s °2%6 .若LED的波長(zhǎng)為0.85 m，正向注入電流為 50mA，量子效率為，求 LED發(fā)射的光功率

11、有多大解:由上題知LED的量子效率為P /hfP eI /eIhc所以d Ie6.626 10 34J s 3 108m/s0.020.85 m 1.6 1019C50 mA 1.462mW7 .已知:(1) Si-PIN光電二極管，量子效率0.7 ,波長(zhǎng)0.85 m ; (2) Ge光電二極管0.4 ,1.6m。計(jì)算它們的響應(yīng)度R。解:(1) Si-PIN光電二極管:(2) Ge光電二極管:m)(m)1.240.40.71.241.6竺50.480A/W ；1.241.240.516A/W。說明在長(zhǎng)波長(zhǎng)比較靈敏些。&一個(gè)光電二極管，當(dāng)1310nm 時(shí),響應(yīng)度為w，計(jì)算其量子效率。解：量子效率9 .試證明：帶隙1.24R1.24 0.6(m)1.310.57Eg用eV(電子伏)作單位時(shí)，Eg與發(fā)光波長(zhǎng) (m)之間的關(guān)系為:Eg1.24(m)證明：因?yàn)镋ghc6.626 10 34J s 3 108m/s20 2019.878 10 J m 19.878 10 J(m)1eV 1.6 10 19C V 1.6 10 19J，故得到Eg2019.878 10 J1.6 10