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 q
λ=)。 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1
r=
r<,部分镜的反射系数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1
r<
r=,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 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hc
E hv λ==,所以2hc
E ??λλ=-,故得到2
E 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
222
30.850.195100.19522 3.7500
f 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
22
2
30.850.244100.24422 3.7400
f m nm c nL λλ?λ?μ-====?=?? 所以,可以激发的纵模数量为 900800
1004100.244
?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 e
η?=? 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 C
ημ--?=?????=?=?? 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 s
λημ--==??=?=???? 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 Ihc
λη=
= 所以 348196.62610310/0.0250 1.4620.85 1.610d
hc 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 1.24
m 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() 1.31
R 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 hc
J s m s E λ
λ-????== 202019.8781019.87810()
J m
J 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7
10W -,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 e I 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-===?=