2025年光電子技術(shù)與應(yīng)用考試題及答案一、單項(xiàng)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(xiàng)？A.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布B.光學(xué)諧振腔C.泵浦源提供能量D.自發(fā)輻射占主導(dǎo)答案：D解析：激光產(chǎn)生需要三個(gè)必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（實(shí)現(xiàn)受激輻射占優(yōu)）、光學(xué)諧振腔（選模與反饋）、泵浦源（提供能量激勵(lì)）。自發(fā)輻射是普通光源的特征，激光依賴受激輻射。2.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.材料不同B.是否存在受激輻射C.輸出光的方向性D.工作溫度范圍答案：B解析：LD通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)激光輸出，具有閾值電流和相干性；LED僅通過(guò)自發(fā)輻射發(fā)光，無(wú)閾值且相干性差。兩者材料可能相同（如GaAs），方向性和溫度范圍是結(jié)果而非核心區(qū)別。3.電光調(diào)制器中，半波電壓Vπ的定義是：A.使輸出光強(qiáng)調(diào)制深度達(dá)到50%所需的電壓B.使光相位變化π弧度所需的電壓C.使光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°所需的電壓D.使光強(qiáng)完全消光所需的電壓答案：B解析：電光調(diào)制中，外加電壓引起晶體折射率變化，導(dǎo)致光相位變化。半波電壓Vπ是使相位變化π所需的電壓，此時(shí)光強(qiáng)調(diào)制深度達(dá)到100%（從最大到最?。?。4.光纖的數(shù)值孔徑（NA）主要由以下哪組參數(shù)決定？A.纖芯折射率n1和包層折射率n2B.纖芯直徑和工作波長(zhǎng)C.光纖長(zhǎng)度和損耗系數(shù)D.模場(chǎng)直徑和色散系數(shù)答案：A解析：數(shù)值孔徑NA=√(n12-n22)，反映光纖捕捉光的能力，與纖芯和包層的折射率差直接相關(guān)。5.PIN光電二極管中，I層（本征層）的主要作用是：A.減少結(jié)電容，提高響應(yīng)速度B.增加摻雜濃度，提高量子效率C.降低暗電流，提高信噪比D.增強(qiáng)光吸收，擴(kuò)展響應(yīng)波長(zhǎng)答案：A解析：PIN二極管的I層為高阻本征層，加寬耗盡區(qū)，減少結(jié)電容（C=εA/d，d增大則C減?。瑥亩岣唔憫?yīng)速度；同時(shí)I層厚度增加可增強(qiáng)長(zhǎng)波長(zhǎng)光吸收，但主要目的是降低電容。6.以下哪種器件屬于外調(diào)制器？A.直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器B.馬赫-曾德爾（MZM）電光調(diào)制器C.垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）D.雪崩光電二極管（APD）答案：B解析：外調(diào)制器獨(dú)立于光源，通過(guò)外加電場(chǎng)改變光的相位或振幅（如MZM）；直接調(diào)制是通過(guò)電流調(diào)制激光器輸出，屬于內(nèi)調(diào)制。7.光纖的色散不包括：A.模式色散B.材料色散C.波導(dǎo)色散D.偏振模色散答案：無(wú)（注：原題可能存在設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際光纖色散包括模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散，偏振模色散屬于模式色散的一種特殊形式）。若選項(xiàng)為“D.吸收色散”，則答案為D。本題假設(shè)正確選項(xiàng)為D（偏振模色散屬于模式色散的細(xì)分），實(shí)際需根據(jù)題目設(shè)定調(diào)整，此處按常規(guī)分類，正確選項(xiàng)應(yīng)為無(wú)，可能題目存在筆誤，暫修正為“吸收色散”作為錯(cuò)誤選項(xiàng)，答案選D。8.激光諧振腔的縱模數(shù)量由以下哪個(gè)參數(shù)決定？A.腔長(zhǎng)L和工作波長(zhǎng)λB.腔的損耗系數(shù)C.激活介質(zhì)的增益帶寬D.鏡面反射率答案：A解析：縱模頻率間隔Δν=c/(2nL)，縱模數(shù)量N=Δν_gain/Δν（Δν_gain為增益帶寬），但直接決定因素是腔長(zhǎng)和波長(zhǎng)（n為介質(zhì)折射率）。9.雪崩光電二極管（APD）的主要優(yōu)點(diǎn)是：A.低噪聲B.高響應(yīng)速度C.內(nèi)部增益，提高靈敏度D.寬光譜響應(yīng)答案：C解析：APD通過(guò)雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流增益（增益可達(dá)10-100），提高弱光探測(cè)靈敏度；但噪聲（倍增噪聲）高于PIN二極管。10.以下光電子器件中，屬于相干探測(cè)器件的是：A.光伏型探測(cè)器B.光熱型探測(cè)器C.外差探測(cè)器D.光電導(dǎo)型探測(cè)器答案：C解析：相干探測(cè)（外差探測(cè)）利用信號(hào)光與本振光的干涉，需要探測(cè)器響應(yīng)拍頻信號(hào)；光伏型、光電導(dǎo)型屬于直接探測(cè)器件，光熱型響應(yīng)光功率變化，無(wú)相干性。二、填空題（每空2分，共20分）1.激光的三個(gè)基本特性是______、______、______。答案：高相干性、高方向性、高亮度（或單色性）2.半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度Jth與溫度T的關(guān)系可表示為Jth(T)=J0exp(T/T0)，其中T0稱為______，其值越大，激光器的溫度特性越______（填“好”或“差”）。答案：特征溫度；好3.光纖的損耗主要包括______、______和______三類，其中______是光纖通信窗口（1.31μm和1.55μm）損耗的主要來(lái)源。答案：吸收損耗、散射損耗、輻射損耗；散射損耗（或瑞利散射）4.電光調(diào)制中，利用晶體的線性電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）時(shí)，晶體必須屬于______（填“中心對(duì)稱”或“非中心對(duì)稱”）點(diǎn)群；利用二次電光效應(yīng)（Kerr效應(yīng)）時(shí)，晶體可以是______（填“中心對(duì)稱”或“非中心對(duì)稱”）點(diǎn)群。答案：非中心對(duì)稱；中心對(duì)稱5.光探測(cè)器的量子效率η定義為______，其表達(dá)式為η=______（用電子數(shù)N_e、光子數(shù)N_ph、電子電荷e、光功率P、波長(zhǎng)λ、普朗克常數(shù)h、光速c表示）。答案：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)的比值；η=(eλN_e)/(hcN_ph)或η=(eI)/(hνP)（I為光電流，ν為光頻率）三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述激光振蕩的閾值條件和增益飽和效應(yīng)。答案：激光振蕩的閾值條件包括增益條件和損耗條件：（1）增益條件：激活介質(zhì)的小信號(hào)增益系數(shù)g0需大于等于諧振腔的總損耗系數(shù)α（包括吸收、散射、輸出耦合等），即g0≥α；（2）相位條件：光在諧振腔內(nèi)往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍（縱模條件）。增益飽和效應(yīng)：當(dāng)激光功率增大時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度Δn因受激輻射消耗而減小，導(dǎo)致增益系數(shù)g隨光強(qiáng)I增大而下降，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（g=α），此時(shí)激光輸出功率穩(wěn)定。飽和效應(yīng)是激光器穩(wěn)定工作的關(guān)鍵機(jī)制。2.比較直接調(diào)制與外調(diào)制的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。答案：直接調(diào)制：通過(guò)改變激光器注入電流實(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)調(diào)制，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是存在頻率啁啾（電流變化引起載流子濃度變化，導(dǎo)致折射率變化，進(jìn)而波長(zhǎng)漂移），限制高速（>10Gbps）和長(zhǎng)距離（>40km）傳輸。主要應(yīng)用于短距離接入網(wǎng)（如局域網(wǎng)、5G前傳）。外調(diào)制：利用獨(dú)立調(diào)制器（如MZM）對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行調(diào)制，優(yōu)點(diǎn)是啁啾小、調(diào)制速率高（可達(dá)100Gbps以上）、適用于長(zhǎng)距離傳輸；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、需要額外光源。主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)、超高速傳輸系統(tǒng)。3.說(shuō)明光纖色散對(duì)通信系統(tǒng)的影響及減小色散的方法。答案：影響：色散導(dǎo)致光脈沖展寬，不同波長(zhǎng)或模式的光到達(dá)接收端的時(shí)間不同，引起碼間串?dāng)_（ISI），限制傳輸速率和距離（B×L乘積受限）。減小方法：（1）模式色散：采用單模光纖（僅傳輸基模，無(wú)模式色散）；（2）材料色散：選擇零色散波長(zhǎng)（如1.31μm）或色散位移光纖（將零色散點(diǎn)移至1.55μm損耗窗口）；（3）波導(dǎo)色散：通過(guò)設(shè)計(jì)光纖折射率分布（如漸變折射率光纖、色散補(bǔ)償光纖）調(diào)整波導(dǎo)色散，抵消材料色散；（4）偏振模色散（PMD）：采用保偏光纖或PMD補(bǔ)償技術(shù)（如電域均衡）。4.分析雪崩光電二極管（APD）的倍增機(jī)制及噪聲來(lái)源。答案：倍增機(jī)制：APD在高反向偏壓下，耗盡區(qū)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生載流子（電子或空穴）被加速獲得足夠動(dòng)能，與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)（雪崩倍增），形成內(nèi)部電流增益。倍增因子M定義為輸出電流與初始光電流的比值。噪聲來(lái)源：（1）倍增噪聲（過(guò)剩噪聲）：雪崩過(guò)程的隨機(jī)性導(dǎo)致增益波動(dòng)，噪聲功率與M2和過(guò)剩噪聲系數(shù)F(M)相關(guān)（F(M)≈M^x，x為材料相關(guān)系數(shù)，硅x≈0.3，鍺x≈0.7）；（2）暗電流噪聲：無(wú)光照時(shí)的反向漏電流（包括擴(kuò)散電流、隧穿電流）產(chǎn)生的散粒噪聲；（3）熱噪聲：負(fù)載電阻的熱噪聲（kTB/R）。5.簡(jiǎn)述垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。答案：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）諧振腔垂直于襯底（腔長(zhǎng)約為波長(zhǎng)量級(jí)，僅幾微米）；（2）采用分布布拉格反射鏡（DBR）作為諧振腔鏡（由多層高低折射率材料交替生長(zhǎng)而成，反射率>99%）；（3）圓形出光孔徑（直徑幾微米至幾十微米）。優(yōu)勢(shì)：（1）閾值電流低（<1mA），功耗??；（2）單縱模輸出（腔長(zhǎng)短，縱模間隔大，僅基模振蕩）；（3）圓形光束，與光纖耦合效率高（約50%，邊發(fā)射激光器約10%）；（4）可二維集成（陣列化），適用于并行光傳輸（如數(shù)據(jù)中心多模光纖鏈路）；（5）制造成本低（可wafer-level測(cè)試和封裝）。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某半導(dǎo)體激光器的腔長(zhǎng)L=250μm，端面反射率R1=R2=0.3（未鍍膜），工作波長(zhǎng)λ=1550nm，激活介質(zhì)的損耗系數(shù)α=10cm?1，增益系數(shù)g=30cm?1（小信號(hào)增益）。（1）計(jì)算諧振腔的往返損耗因子γ（考慮端面反射損耗和內(nèi)部損耗）；（2）判斷該激光器是否滿足閾值條件。解：（1）往返損耗因子γ包括內(nèi)部損耗和端面反射損耗：內(nèi)部往返損耗：exp(-2αL)（α為單位長(zhǎng)度損耗系數(shù)，L為腔長(zhǎng)）端面反射損耗：R1×R2（往返兩次反射）總損耗因子γ=exp(-2αL)×R1×R2轉(zhuǎn)換單位：α=10cm?1=1000m?1，L=250μm=250×10??m=2.5×10??m計(jì)算內(nèi)部損耗項(xiàng)：exp(-2×1000×2.5×10??)=exp(-0.5)≈0.6065端面反射損耗項(xiàng)：0.3×0.3=0.09總損耗因子γ=0.6065×0.09≈0.0546（2）閾值條件要求小信號(hào)增益g滿足：g≥α+(1/(2L))ln(1/√(R1R2))（閾值增益公式）或等效為往返增益≥往返損耗，即exp(2gL)×R1R2≥1（增益補(bǔ)償損耗）計(jì)算往返增益：exp(2gL)=exp(2×30cm?1×0.025cm)=exp(1.5)≈4.4817（注意：g=30cm?1，L=250μm=0.025cm）往返增益×反射率=4.4817×0.09≈0.403<1，不滿足閾值條件（需≥1）。或用閾值增益公式：閾值增益gth=α+(1/(2L))ln(1/√(R1R2))=10cm?1+(1/(2×0.025cm))ln(1/0.3)=10+(20)×1.2039≈10+24.08=34.08cm?1實(shí)際g=30cm?1<gth=34.08cm?1，不滿足閾值條件。答案：（1）γ≈0.0546；（2）不滿足，實(shí)際增益小于閾值增益。2.某單模光纖的損耗系數(shù)α=0.2dB/km（1550nm），發(fā)射機(jī)輸出光功率P_tx=2mW，接收機(jī)靈敏度P_rx=-30dBm（即能檢測(cè)的最小光功率）。（1）計(jì)算最大傳輸距離L（忽略色散和非線性效應(yīng)）；（2）若改用損耗系數(shù)α=0.15dB/km的光纖，最大傳輸距離增加多少？解：（1）功率轉(zhuǎn)換：P_tx=2mW=10lg(2mW/1mW)=3dBm傳輸損耗：αL=P_tx-P_rx=3dBm-(-30dBm)=33dB最大距離L=33dB/0.2dB/km=165km（2）新?lián)p耗系數(shù)α’=0.15dB/km，L’=33dB/0.15dB/km=220km增加距離=220km-165km=55km答案：（1）165km；（2）增加55km。五、綜合分析題（20分）隨著5G通信、數(shù)據(jù)中心和自動(dòng)駕駛的發(fā)展，光電子技術(shù)在高速傳輸、高精度傳感中發(fā)揮關(guān)鍵作用。請(qǐng)結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景，分析光電子器件的選型與性能需求，并舉例說(shuō)明。答案：以5G前傳網(wǎng)絡(luò)為例，其對(duì)光模塊的需求為“高速率、低功耗、低成本、小尺寸”。前傳網(wǎng)絡(luò)采用CPRI/eCPRI協(xié)議，傳輸速率從10Gbps（5GR15）提升至25Gbps/50Gbps（R16/R17），距離通常為1-10km（光纖直連）或20-40km（帶放大器）。器件選型與性能需求：1.光源（激光器）：-短距離（<10km）多模光纖（MMF）場(chǎng)景：選擇垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），因其低成本、低功耗（<100mW）、圓形光束易耦合MMF，支持25Gbps速率（如850nmVCSEL用于數(shù)據(jù)中心多模鏈路）。-長(zhǎng)距離（>10km）單模光纖（SMF）場(chǎng)景：選擇分布反饋激光器（DFB-LD），其單縱模特性（線寬<1MHz）可抑制色散，支持1550nm波長(zhǎng)（損耗低），速率可達(dá)50Gbps以上（如25GDFB用于5G前傳SMF鏈路）。2.調(diào)制器：-25Gbps以下速率：直接調(diào)制激光器（DML）成本低，適用于短距離（<20km），但需控制啁啾（如采用啁啾管理技術(shù)，或選擇外調(diào)制）。-50Gbps及以上速率：必須采用外調(diào)制（如馬赫-曾德爾調(diào)制器MZM），其啁啾可忽略（α參數(shù)≈0），支持長(zhǎng)距離傳輸（>40km）。3.探測(cè)器：-短距離：PIN光電二極管（響應(yīng)速度快，噪聲低），如25GPI