2025年光電子技術(shù)研究生入學(xué)考試試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.激光產(chǎn)生的必要條件不包括以下哪一項？A.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布B.光學(xué)諧振腔C.泵浦源D.自發(fā)輻射占主導(dǎo)答案：D解析：激光產(chǎn)生的必要條件包括粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（激活介質(zhì)）、光學(xué)諧振腔（提供正反饋并選擇模式）和泵浦源（實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能量輸入）。自發(fā)輻射是激光產(chǎn)生的初始種子，但激光輸出依賴于受激輻射占主導(dǎo)，因此D錯誤。2.對于GaAs（直接帶隙半導(dǎo)體）和Si（間接帶隙半導(dǎo)體），以下描述正確的是？A.GaAs更適合制作LED，因為其發(fā)光效率更高B.Si更適合制作LED，因為其禁帶寬度更小C.GaAs的載流子復(fù)合以非輻射復(fù)合為主D.Si的發(fā)光效率高于GaAs答案：A解析：直接帶隙半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)牟ㄊ赶嗤?，電?空穴復(fù)合時無需聲子參與，輻射復(fù)合概率高，發(fā)光效率高（如GaAs）；間接帶隙半導(dǎo)體（如Si）復(fù)合時需聲子參與，非輻射復(fù)合為主，發(fā)光效率低。因此A正確。3.某階躍折射率光纖的芯層折射率n1=1.46，包層折射率n2=1.45，工作波長λ=1.55μm，芯徑2a=8μm。該光纖的模式數(shù)量約為？（模式數(shù)公式：V2/2，V=2πa√(n12-n22)/λ）A.1B.5C.10D.20答案：A解析：計算V值：Δ=(n12-n22)/(2n12)≈(n1-n2)/n1≈(1.46-1.45)/1.46≈0.00685；V=2π×4×10??×√(2×1.462×0.00685)/1.55×10??≈2π×4×√(2×1.462×0.00685)/1.55≈計算得V≈2.1（單模光纖V<2.405），故模式數(shù)≈V2/2≈2.2，實(shí)際為單模，選A。4.光電探測器的量子效率η定義為？A.輸出光功率與輸入光功率之比B.產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)與入射光子數(shù)之比C.輸出電流與輸入光功率之比D.響應(yīng)度與入射光波長的乘積答案：B解析：量子效率η=（產(chǎn)生的電子數(shù)）/（入射光子數(shù)），直接反映光子到載流子的轉(zhuǎn)換效率，B正確。5.以下哪種器件基于外光電效應(yīng)？A.PIN光電二極管B.雪崩光電二極管（APD）C.光電倍增管（PMT）D.光伏探測器答案：C解析：外光電效應(yīng)指光子激發(fā)電子逸出材料表面（如光電發(fā)射），PMT的光陰極利用外光電效應(yīng)；PIN、APD、光伏探測器基于內(nèi)光電效應(yīng)（載流子在材料內(nèi)部產(chǎn)生），選C。6.半導(dǎo)體激光器（LD）與發(fā)光二極管（LED）的核心區(qū)別在于？A.LD需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，LED不需要B.LD發(fā)光光譜更寬C.LED輸出功率更高D.LD的發(fā)光機(jī)制是自發(fā)輻射，LED是受激輻射答案：A解析：LD通過受激輻射實(shí)現(xiàn)激光輸出，需粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；LED依賴自發(fā)輻射，無需粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。LD光譜更窄、功率更高，故A正確。7.光纖的材料色散主要由以下哪項引起？A.光纖芯徑的不均勻性B.不同模式的群速度差異C.光纖材料折射率隨波長變化D.光纖彎曲導(dǎo)致的模式耦合答案：C解析：材料色散是由于光纖材料（如SiO?）的折射率n(λ)隨波長λ變化，導(dǎo)致不同波長的光群速度不同，選C。8.以下哪種激光工作物質(zhì)屬于固體激光器？A.CO?激光器B.He-Ne激光器C.Nd:YAG激光器D.染料激光器答案：C解析：Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）是固體激光介質(zhì)；CO?（氣體）、He-Ne（氣體）、染料（液體），選C。9.為了提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，以下措施無效的是？A.增加禁帶寬度至3eV以上B.表面制絨減少反射C.采用多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)D.優(yōu)化電極設(shè)計降低串聯(lián)電阻答案：A解析：太陽能電池的禁帶寬度需匹配太陽光譜（約1.1-1.5eV最佳），過寬（如3eV）會導(dǎo)致無法吸收大部分可見光，效率下降，A無效。10.超輻射發(fā)光二極管（SLED）的主要特點(diǎn)是？A.相干性高，光譜窄B.輸出功率低，適合長距離通信C.相干性低，光譜寬D.必須工作在閾值電流以上答案：C解析：SLED介于LED和LD之間，利用放大的自發(fā)輻射（ASE），相干性低、光譜寬（幾十納米），用于光纖傳感等需要低相干的場景，選C。二、填空題（每空1分，共20分）1.激光的三個基本特性是________、________、________。答案：高相干性、高方向性、高亮度2.半導(dǎo)體的載流子復(fù)合方式主要有________、________和________三種。答案：輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合（俄歇復(fù)合）、表面復(fù)合3.光纖的損耗主要包括________、________、________和________。答案：吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗、連接損耗4.愛因斯坦系數(shù)中，受激吸收系數(shù)B??與受激輻射系數(shù)B??的關(guān)系是________；自發(fā)輻射系數(shù)A??與受激輻射系數(shù)B??的關(guān)系為________（用公式表示）。答案：B??=B??；A??=(8πhν3/c3)B??5.光電探測器的主要噪聲包括________、________、________和________。答案：暗電流噪聲、散粒噪聲、熱噪聲、放大器噪聲6.半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度Jth與溫度T的關(guān)系為________（公式），其中T?稱為________。答案：Jth=J0exp(T/T?)；特征溫度7.光纖通信中，常用的三個低損耗窗口是________μm、________μm和________μm。答案：0.85、1.31、1.55三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別，并說明它們在激光產(chǎn)生中的作用。答案：區(qū)別：-自發(fā)輻射：處于高能級E?的粒子自發(fā)躍遷到低能級E?，發(fā)射光子（頻率ν=(E?-E?)/h），各光子相位、偏振、傳播方向隨機(jī)，相干性差。-受激輻射：高能級粒子在能量為hν的入射光子激勵下躍遷到低能級，發(fā)射與入射光子同頻率、同相位、同偏振、同方向的光子，相干性好。作用：自發(fā)輻射是激光的“種子”，提供初始光子；受激輻射在諧振腔內(nèi)被放大，當(dāng)增益超過損耗時形成激光輸出，是激光的核心機(jī)制。2.分析光纖色散的類型及其對光纖通信系統(tǒng)的影響。答案：光纖色散分為三類：-模式色散（多模光纖特有）：不同模式的光在光纖中傳播的群速度不同，導(dǎo)致脈沖展寬。-材料色散：光纖材料折射率隨波長變化，不同波長的光群速度不同，引起脈沖展寬（單模光纖主要色散）。-波導(dǎo)色散：光纖結(jié)構(gòu)（芯徑、折射率分布）導(dǎo)致的色散，與模式場在芯層和包層的分布有關(guān)。影響：色散會導(dǎo)致光脈沖展寬，當(dāng)展寬超過碼元間隔時，會引起碼間串?dāng)_（ISI），限制通信系統(tǒng)的傳輸速率和距離。3.說明半導(dǎo)體激光器（LD）中“縱?！焙汀皺M模”的定義，并解釋如何實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。答案：-縱模：沿諧振腔軸向（光傳播方向）的電磁場分布，由諧振腔長度L和折射率n決定，滿足駐波條件：2nL=qλ（q為整數(shù)），對應(yīng)不同的頻率。-橫模：垂直于傳播方向的電磁場分布，由諧振腔橫截面的邊界條件決定，用TEMmn表示（m、n為橫模階數(shù)）。實(shí)現(xiàn)單縱模輸出的方法：-縮短諧振腔長度（L減小，縱模間隔Δν=c/(2nL)增大，抑制多縱模）；-采用分布反饋（DFB）或分布布拉格反射（DBR）結(jié)構(gòu)，利用光柵的波長選擇性，只允許特定波長的光諧振；-溫度控制（穩(wěn)定折射率n，避免縱模漂移）。4.比較PIN光電二極管與雪崩光電二極管（APD）的工作原理及性能特點(diǎn)。答案：工作原理：-PIN二極管：本征層（I層）較厚，入射光在I層激發(fā)電子-空穴對，在外加反向偏壓下漂移形成光電流，無內(nèi)部增益。-APD：在高反向偏壓下，光生載流子（電子或空穴）通過碰撞電離產(chǎn)生二次載流子，形成雪崩倍增效應(yīng)，具有內(nèi)部增益（增益因子G>1）。性能特點(diǎn)：-PIN：結(jié)構(gòu)簡單，噪聲低（無倍增噪聲），響應(yīng)速度快（I層厚度優(yōu)化后），但靈敏度較低（無增益）。-APD：靈敏度高（增益可達(dá)10-100），但存在倍增噪聲（散粒噪聲隨G增大而增加），工作電壓高（需幾十至幾百伏），溫度穩(wěn)定性較差（增益隨溫度變化）。5.解釋“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的概念，并說明如何在固體激光器（如Nd:YAG）中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。答案：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在熱平衡狀態(tài)下，低能級粒子數(shù)N?大于高能級N?；當(dāng)通過泵浦使N?>N?時，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是受激輻射占主導(dǎo)的必要條件。Nd:YAG激光器的實(shí)現(xiàn)：-激活離子：Nd3+（摻雜濃度約1%），其能級結(jié)構(gòu)為四能級系統(tǒng)（基態(tài)E?，泵浦帶E?，亞穩(wěn)態(tài)E?，終態(tài)E?）。-泵浦過程：通過閃光燈或激光二極管（LD）發(fā)射泵浦光（波長約808nm），將Nd3+從E?激發(fā)到E?。-無輻射躍遷：E?→E?（快速弛豫，粒子數(shù)積累在亞穩(wěn)態(tài)E?）。-終態(tài)E?的粒子數(shù)：E?與E?的能量差大，熱平衡下N?≈0，因此易實(shí)現(xiàn)N?>N?（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。四、計算題（每題10分，共30分）1.某He-Ne激光器的諧振腔長度L=0.5m，工作波長λ=632.8nm，折射率n=1（空氣）。求：（1）縱模頻率間隔Δν；（2）若激光器輸出光譜線寬Δλ=0.002nm，求輸出的縱模數(shù)量。答案：（1）縱模頻率間隔Δν=c/(2nL)=3×10?/(2×1×0.5)=3×10?Hz=300MHz。（2）光譜線寬對應(yīng)的頻率范圍Δν'=cΔλ/λ2=3×10?×0.002×10??/(632.8×10??)2≈(6×10??)/(4×10?13)≈1.5×10?Hz?？v模數(shù)量N=Δν'/Δν=1.5×10?/3×10?=5（取整）。2.某GaAs半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg=1.42eV，電子有效質(zhì)量m?=0.067m?，空穴有效質(zhì)量m?=0.5m?（m?=9.1×10?31kg），溫度T=300K（kT=0.026eV）。求：（1）本征載流子濃度n?；（2）若摻雜施主濃度N?=101?cm?3（遠(yuǎn)大于n?），求電子濃度n和空穴濃度p（假設(shè)完全電離）。答案：（1）本征載流子濃度公式：n?=√(NcNv)exp(-Eg/(2kT))，其中Nc=2(2πm?kT/h2)^(3/2)，Nv=2(2πm?kT/h2)^(3/2)。計算Nc：m?=0.067×9.1×10?31=6.1×10?32kg，Nc=2×[2π×6.1×10?32×1.38×10?23×300/(6.63×10?3?)2]^(3/2)≈2×[2π×6.1×1.38×300×10???/(4.39×10???)]^(3/2)≈2×[1.5×1013]^(3/2)≈2×5.8×101?≈1.16×102?m?3=1.16×101?cm?3。同理，m?=0.5×9.1×10?31=4.55×10?31kg，Nv≈2×[2π×4.55×10?31×1.38×10?23×300/(6.63×10?3?)2]^(3/2)≈2×[5.5×1013]^(3/2)≈2×1.29×102?≈2.58×102?m?3=2.58×101?cm?3。n?=√(1.16×101?×2.58×101?)exp(-1.42/(2×0.026))≈√(3×102?)exp(-27.3)≈1.73×101?×1.7×10?12≈2.94×102cm?3（實(shí)際GaAs本征載流子濃度約2.1×10?cm?3，此處為近似計算）。（2）n≈N?=101?cm?3，p=n?2/n≈(2.94×102)2/101?≈8.6×10?1?cm?3（遠(yuǎn)小于n，可忽略）。3.某PIN光電二極管的量子效率η=80%，工作波長λ=1.55μm，入射光功率P=1μW。求：（1）響應(yīng)度R；（2）輸出光電流I?。答案：（1）響應(yīng)度R=ηeλ/(hc)，其中e=1.6×10?1?C，h=6.63×10?3?J·s，c=3×10?m/s。代入數(shù)據(jù)：R=0.8×1.6×10?1?×1.55×10??/(6.63×10?3?×3×10?)=0.8×2.48×10?2?/(1.99×10?2?)≈0.8×1.25≈1.0A/W。（2）光電流I?=R×P=1.0A/W×1×10??W=1μA。五、綜合分析題（20分）設(shè)計一個短距離（<10km）光纖通信系統(tǒng)，要求傳輸速率10Gbps，波長1.55μm。需選擇光源、光纖、光電探測器類型，并分析系統(tǒng)中可能的損耗和色散因素及應(yīng)對措施。答案：1.光源選擇：短距離10Gbps系統(tǒng)對光源的線寬和色散容限要求較低，可選用分布反饋激光器（DFB-LD）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。DFB-LD的線寬窄（<0.1nm），適合高速傳輸；VCSEL成本低、調(diào)制速率高（可達(dá)25Gbps），更適合短距離（如數(shù)據(jù)中心）。此處選擇DFB-LD，確保低色散影響。2.光纖選擇：1.55μm窗口下，單模光纖（SMF）的損耗最低（約0.2dB/km），且模式色散為0，主要色散為材料色散和波導(dǎo)色散。G.652光纖（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）在1.55μm處色散系數(shù)約17ps/(nm·km)，10km總色散為170ps/nm，10Gbps系統(tǒng)的碼元周期為100ps，需光源線寬Δλ<100ps/(17ps/(nm·km)×10km)=0