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Ith表示。当I?Ith时,激光器发出的是 ,因此光谱很宽,宽度常达到几百埃;当I?Ith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 。
2L2nL答案:?g?(或??)。
qq8.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
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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r?1,部分镜的反射系数r?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?1,部分镜的反射系数r?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。 特点 结构 PIN 薄的p区和n区之间夹入较厚的I区,I区是耗尽区(光子吸收区) 负偏压(几至几十伏) 1入射光子在I区受激吸收产生一次电子-空穴对 2一次电子和空穴在I区强电场作用下分别向n区和p区快速漂移形成一次光生电流 APD 薄的重掺杂p+区和n+区之间夹入较厚的I区和薄的p区,I区是耗尽层区(光子吸收区),区是碰撞电离区(比I区电场大) 负偏压(几十至几百伏) 1入射光子在I区受激吸收产生一次电子-空穴对 2一次电子和空穴在I区强电场作用下分别向n区和p区快速漂移形成一次光生电流。其中达到p区的一次电子在p区更强电场作用下获得更大加速,碰撞原子产生二次电子-空穴对 3二次电子和空穴继续加速,碰撞原子产生三次电子-空穴对…形成雪崩倍增。 工作电压 工作机理
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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E?hv?hc?,所以?E??hc?2??,故得到?????2hc?E
2可见:当?E(能量变动范围)固定时,则??(波长变动范围)与?成正比。
c,其中n是谐振腔内半导体材料的折射率,L是谐振腔的长2nL度。若某一GaAs激光二极管的??850nm,L?0.5mm,n?3.7,试问该激光器的纵模波长间隔是多
2.理论指出,LD的纵模频率间隔?f?少?
解:因为f?c/?,所以?f??c/?2????。若?f和??都取绝对值,则得纵模波长间隔为
0.852????f???0.195?10?3?m?0.195nm
c2nL2?3.7?5003.已知GaAs激光二极管的中心波长为0.85?m,谐振腔长为0.4mm。材料折射率为3.7。若在
?2?20.80?m???0.90?m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??为
0.852????f???0.244?10?3?m?0.244nm
c2nL2?3.7?400所以,可以激发的纵模数量为
?2?2900?800???100?410 0.2444.已知LD的波长为1.31?m,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所以,LD的P-I特性曲线的斜率为
?Phf??d?Ie
6.626?10?34J?s?3?108m/s?0.1??0.095?191.31?m?1.6?10C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?输出光子数P/hf?
注入电子数I/e请浏览后下载,资料供参考,期待您的好评与关注!
若波长1.31?m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
?d?P/hf2mW?e?I/e50mAhc ?191.31?m?1.6?10C?0.04V??4.2%6.626?10?34J?s?3?108m/s6.若LED的波长为0.85?m,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?所以
P/hfP?e ?I/eIhchcI?e ?3486.626?10J?s?3?10m/s?0.02??50mA?1.462mW0.85?m?1.6?10?19CP??d7.已知:(1)Si-PIN光电二极管,量子效率??0.7,波长??0.85?m;(2)Ge光电二极管??0.4,
??1.6?m。计算它们的响应度R。
0.7?0.85?0.480A/W;
1.241.24??(?m)0.4?1.6(2)Ge光电二极管:R???0.516A/W。
1.241.24解:(1)Si-PIN光电二极管:R???(?m)?说明在长波长比较灵敏些。
8.一个光电二极管,当??1310nm时,响应度为0.6A/W,计算其量子效率?。
解:量子效率
??1.24R1.24?0.6??0.57
?(?m)1.311.24
?(?m)9.试证明:带隙Eg用eV(电子伏)作单位时,Eg与发光波长?(?m)之间的关系为:Eg?证明:因为Eg?hc??6.626?10?34J?s?3?108m/s?
?19.878?10?20J??m?19.878?10?20J?
?(?m)1eV?1.6?10?19C?V?1.6?10?19J,故得到
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19.878?10?20J1.24Eg??
1.6?10?19J??(?m)?(?m)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0.8?m波段接收功率是10W,计算平均是输出光电流。
解:(1)量子效率为??1/3?0.33
?7(2)由量子效率??Iphv??得到
Pin/hvPine?Ip/eIp?Ip/ePin/hv??ehcPin?2.2?10?8A?22nA
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《光纤通信》第3章作业答案
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