《光纖通信》第3章課后習(xí)題答案

1計(jì)算一個(gè)波長為的光子能量，分別對1MHz和100MHz的無線電做同樣的計(jì)算。解：波長為的光子能量為對1MHz和100MHz的無線電的光子能量分別為2太陽向地球輻射光波，設(shè)其平均波長，射到地球外面大氣層的光強(qiáng)大約為。如果恰好在大氣層外放一個(gè)太陽能電池，試計(jì)算每秒鐘到達(dá)太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。解：光子數(shù)為3如果激光器在上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計(jì)算每秒從激活物質(zhì)的高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的粒子數(shù)。解：粒子數(shù)為4光與物質(zhì)間的相互作用過程有哪些？答：受激吸收，受激輻射和自發(fā)輻射。5什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指高能級(jí)粒子布居數(shù)大于低能級(jí)的粒子布居數(shù)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)（叫激活介質(zhì)）可實(shí)現(xiàn)光放大。6什么是激光器的閾值條件？答：閾值增益為其中是介質(zhì)的損耗系數(shù)，分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當(dāng)激光器的增益時(shí)，才能有激光放出。（詳細(xì)推導(dǎo)請看補(bǔ)充題1、2）7由表達(dá)式說明為什么LED的FWHM功率譜寬度在長波長中會(huì)變得更寬些？證明：由得到，于是得到，可見當(dāng)一定時(shí)，與成正比。8試畫出APD雪崩二極管結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場區(qū)及耗盡層的范圍。解：先把一種高阻的P型材料作為外延層，沉積在P+材料上（P+是P型重?fù)诫s），然后在高阻區(qū)進(jìn)行P型擴(kuò)散或電離摻雜（叫層），最后一層是一個(gè)N+（N+是N型重?fù)诫s）層。高場區(qū)是P區(qū)，耗盡區(qū)是P區(qū)。9一個(gè)GaAsPIN光電二極管平均每三個(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對。假設(shè)所以的電子都被收集，那么（1）計(jì)算該器件的量子效率；（2）在波段接收功率是，計(jì)算平均是輸出光電流；（3）計(jì)算波長，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過此波長時(shí)將停止工作，即長波長截止點(diǎn)。解：（1）量子效率為（2）由量子效率得到（3）GaAsPIN的禁帶寬度為，則截止波長為10什么是雪崩增益效應(yīng)？答：一次光生載流子穿過一個(gè)具有非常高的電場高場區(qū)。在這個(gè)高場區(qū)，光生電子空穴可以獲得很高的能量。他們高速碰撞在價(jià)帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子空穴對。新產(chǎn)生的的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量，從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫雪崩效應(yīng)。11設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%，計(jì)算在和波長時(shí)的響應(yīng)度，說明為什么在處光電二極管比較靈敏。解：時(shí)的響應(yīng)度為；時(shí)的響應(yīng)度為。因?yàn)轫憫?yīng)度正比于波長，故在處光電二極管比處靈敏。12光檢測過程中都有哪些噪聲？答：量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲和熱噪聲。補(bǔ)充題1一束光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其光強(qiáng)隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強(qiáng)，為光強(qiáng)增益系數(shù)，為光強(qiáng)損耗系數(shù)。試推到這個(gè)式子，并說明此式成立條件。解：設(shè)光束通過厚度為的一層介質(zhì)時(shí)，其光強(qiáng)由變?yōu)?，在光放大時(shí)，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；在衰減時(shí)，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；所以，當(dāng)光放大和光衰減同時(shí)存在時(shí)，便有。顯然，此式成立的條件是：都與無關(guān)。補(bǔ)充題2設(shè)LD的光學(xué)諧振腔長為，諧振腔前、后鏡片的光強(qiáng)反射系數(shù)分別為，諧振腔介質(zhì)的光強(qiáng)損耗系數(shù)為，諧振腔的光強(qiáng)增益系數(shù)為，試證明：激光所要求的諧振條件（閾值增益條件）為解：在諧振腔內(nèi)任取一點(diǎn)，此點(diǎn)光強(qiáng)，該光強(qiáng)向右傳播到前鏡片，經(jīng)反射后向左傳播到后鏡片，再經(jīng)過反射向右傳播回到點(diǎn)，則光強(qiáng)變