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髙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 _____________ ,用几表示。当I
答案：阈值电流，荧光，激光。
5. 彩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 ___________________ o
答案：2 =—（或久=竺）。
q 答案：边模抑制比。
q
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。
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.
工作于1.55 um的光检测器同样能用作1.3 um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。
设计
（）
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激光器是单模激光黠 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,部分镜的反射系数r = l 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 Ref lector）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. 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 APD 薄的p区和n区之间夹入较 厚薄的重掺杂P+区和n+区之间夹入较厚的I区和薄 的P的I区，1区是耗尽区（光 子区，I区是耗尽层区（光子吸收区），区是碰 撞电离区吸收区） （比I区电场大） 负偏压（几十至几百伏） 工作电压 工作机理 负偏压（几至几十伏） 1入射光子在I区受激吸收 产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区快生一次电子-空穴对 2 —次电子和空穴在I区强 电速漂移形成一次光生电流。其中达到 P区的一次电子在p场作用下分别向n区和p 区快区更强电场作用下获得更大 加速，碰撞原子产生二次电速漂移形成一次光生 电流 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。 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。
he
解：因为E = hv = — .所以AE = -- zU,故得到AA = —AE
2 力
J
2
he
可见：当（能量变动围）固定时，则pU| （波长变动围）与；I?成正比。
2. 理论指出，LD的纵模频率间隔J/=—.其中\是谐振腔半导体材料的折射率，厶是谐振腔的长度。
2nL
若某一 GaAs激光二极管的2 = 850/7/77,厶= 0.5〃劝，“ = 3.7,试问该激光器的纵模波长间隔是多少？
解：因为/=c/2,所以J/ = -（C/2）JAO若4/?和旅都取绝对值，则得纵模波长间隔为
2
2
2
1
2
A QC
2
4几=一 4/ =—=————= 0.195x10\“〃 ? = 0.195mn
c 2nL 2x3.7x500
3. 已知GaAs激光二极管的中心波长为0.85////?,谐振腔长为0?4〃?〃?。材料折射率为3.7。若在
0.80/////<2<0.90///7?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：由于纵模波长间隔山为
2 -
2
244
2
Q
处十\范=2^65 = °灯°讪=°.244塚
所以，可以激发的纵模数量为
900-800 100 … = --- = 410 AA 0.244
4. 已知LD的波长为1?31“川，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的徽分量子效率为
^P/hf A/ ! e
所以，LD的P-1特性曲线的斜率为
AP
A7
6.626XKT 八 sx3xl0S?/s
= 0.1x ,9
1.31///?xl.6xlO\C
此斜率不包含阈值电流以下的部分。
34
=0.095
5. LED的量子效率定义为
输岀光子数 Plhf 注入电子数一 12
《光纤通信》第3章作业答案
