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
