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，把这个电流值叫用表示。当时，激光器发出的是因此光谱很宽，宽度常达到几百埃；当时，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：（或）。
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，部分镜的反射系数。
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。
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：a3．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。
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，所以，故得到。
可见：当（能量变动范围）固定时，则（波长变动范围）与成正比。
2．理论指出，ld的纵模频率间隔，其中是谐振腔内半导体材料的折射率，是谐振腔的长度。若某一gaas激光二极管的，，，试问该激光器的纵模波长间隔是多少？
解：因为，所以。若和都取绝对值，则得纵模波长间隔为。
3．已知gaas激光二极管的中心波长为，谐振腔长为。材料折射率为3.7。若在范围内，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。
所以，可以激发的纵模数量为。
4．已知ld的波长为，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。
所以，ld的p-i特性曲线的斜率为。
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。
若波长的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。
6．若led的波长为，正向注入电流为，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。
所以。7．已知：（1）si-pin光电二极管，量子效率，波长；（2）ge光电二极管，。计算它们的响应度r。
解：（1）si-pin光电二极管：；
2）ge光电二极管：。
说明在长波长比较灵敏些。
8．一个光电二极管，当时，响应度为0.6a/w，计算其量子效率。
解：量子效率。
9．试证明：带隙用ev（电子伏）作单位时，与发光波长之间的关系为：
证明：因为。
故得到。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）在波段接收功率是，计算平均是输出光电流。
解：（1）量子效率为。
2）由量子效率得到。
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