2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子光通信與光子技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內）1.下列哪種材料因其獨特的分子結構和可調諧的光學特性，在分子光電器件中具有廣泛應用前景？（）A.常規(guī)無機半導體晶體（如Si,GaAs）B.金屬導體材料C.高分子聚合物D.上述所有材料2.分子光開關實現其功能的核心機制通常依賴于分子結構的變化引起的？（）A.電阻率突變B.介電常數變化C.吸收/發(fā)射光譜可逆調制D.磁性轉變3.在分子光通信系統(tǒng)中，用于將電信號轉換成光信號的關鍵器件是？（）A.光探測器B.光調制器C.光放大器D.光波導4.下列哪種效應是分子光探測器實現光電轉換的基礎？（）A.壓電效應B.霍爾效應C.光吸收引起載流子產生（內光電效應）D.法拉第效應5.光子晶體被認為是實現光子禁帶、調控光傳播特性的重要介質，其基本構成單元通常是？（）A.分子單體B.量子點C.具有不同折射率的周期性結構D.有機半導體薄膜6.在光纖通信系統(tǒng)中，為了克服長距離傳輸時的信號衰減，常采用哪種器件進行信號放大？（）A.光調制器B.光放大器（如EDFA）C.光開關D.光隔離器7.有機光電器件相較于無機半導體器件，一個顯著的優(yōu)勢在于？（）A.更高的工作溫度B.更長的使用壽命C.更易制備成柔性可拉伸器件D.更高的載流子遷移率8.分子光存儲技術的核心在于利用分子體系記錄和讀取信息，其信息載體可以是？（）A.分子構型的變化B.分子能級的躍遷C.分子間相互作用力的變化D.以上都是9.影響光調制器調制效率的關鍵因素之一是？（）A.信號光的功率B.調制所用的驅動電壓頻率C.調制材料的光電響應速度D.上述所有因素10.下列哪項技術不屬于分子光通信與光子技術的范疇？（）A.基于量子點發(fā)光二極管（QLED）的光顯示技術B.利用有機光開關構建的全光交換網絡C.采用納米光波導傳輸信號的技術D.基于光纖的遠程傳感技術二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.分子光通信系統(tǒng)通常需要解決信號在長距離傳輸過程中的__________和__________問題。2.能夠在外加刺激下改變其光學特性（如吸收、發(fā)射光譜）并能在刺激去除后恢復原狀的分子或材料被稱為__________。3.光波導是光通信系統(tǒng)中的基礎傳輸元件，其基本原理是利用不同區(qū)域折射率的差異實現光的__________。4.量子點作為重要的納米光電器件，其光學特性（如尺寸、光譜）主要受__________和__________的影響。5.分子光探測器通常需要具有較高的__________和較低的__________，以實現有效的光電轉換。三、名詞解釋（每小題4分，共16分）1.分子開關2.光子禁帶3.載流子注入4.拓撲光子學四、簡答題（每小題6分，共18分）1.簡述分子光調制器的基本工作原理。2.與傳統(tǒng)無機半導體光電器件相比，有機光電器件具有哪些獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)？3.解釋光子晶體為何能夠對光傳播產生獨特的調控作用。五、計算題（8分）假設一個簡單的分子光調制器，其折射率變化Δn與施加的電壓V成正比，比例系數為γ=1.0×10^-3V^-1。該調制器置于波長λ=1550nm的單色光中，光通過調制器時產生的相位變化Δφ與折射率變化Δn和光程L的乘積成正比（Δφ=2πnLΔn/λ）。若調制器有效長度L=10μm，現施加一個5V的電壓，計算此時光通過調制器產生的相位變化是多少弧度？六、論述題（16分）結合當前研究進展，論述分子光通信與光子技術在下一代信息技術（如高速互聯、柔性顯示、量子通信等）中可能扮演的角色和面臨的關鍵挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.C6.B7.C8.D9.D10.A二、填空題1.衰減，色散2.光學可逆調制器3.模式約束（或束縛）4.尺寸，成分（或材料）5.靈敏度，噪聲等效功率（或探測度）三、名詞解釋1.分子開關：指能夠在外界刺激（如電、光、熱、化學物質等）作用下改變其自身結構或電子狀態(tài)，從而導致其物理或化學性質（如導電性、光學吸收/發(fā)射特性等）發(fā)生可逆變化的一類分子或超分子體系。這種特性使其可用于構建光電器件，如光開關、光存儲器等。2.光子禁帶：光子晶體是一種具有在介電常數和/或磁導率上呈周期性空間分布結構的材料。當光波在其中傳播時，由于周期性結構對光的布拉格散射，使得特定頻率范圍內的光波無法傳播，形成類似半導體能帶結構中的“帶隙”，這部分頻率范圍的光子被禁止傳播，這個現象稱為光子禁帶。3.載流子注入：指將電子或空穴（即載流子）通過外電路或其他方式引入到半導體材料或器件的有源層中。這是驅動半導體器件（如二極管、晶體管、光電器件）工作的基礎過程，例如在光調制器中注入載流子會改變材料的介電常數或產生光吸收，從而調制通過器件的光信號。4.拓撲光子學：是光子學的一個前沿分支，它利用拓撲學的概念和思想來設計和分析光子器件。其核心是利用拓撲保護的邊界態(tài)或拓撲不變量，這些態(tài)或量對局部缺陷不敏感，具有獨特的傳播特性和魯棒性，可用于構建低損耗、高集成度的光波導、光開關等器件。四、簡答題1.分子光調制器的基本工作原理：通常利用外部輸入的電信號、光信號或其他刺激，通過改變調制器內部活性分子的結構、構象或電子狀態(tài)，進而調制其材料的折射率、吸收系數或介電常數等光學參數。這些光學參數的變化會直接影響通過調制器的光波的相位、振幅或偏振態(tài)，從而實現對光信號的調制。例如，通過電場注入載流子改變有機半導體材料的介電常數，進而調制通過材料的光相位。2.有機光電器件的獨特優(yōu)勢和挑戰(zhàn)：*優(yōu)勢：*材料制備方法靈活多樣，通?？刹捎玫统杀尽⒁子诖笠?guī)模生產的印刷技術（如旋涂、噴墨打印、絲網印刷等）進行制備。*可加工成柔性、透明、輕質的器件，易于實現可穿戴設備、柔性顯示等創(chuàng)新應用。*光學帶隙可通過分子設計進行廣泛調節(jié)，有利于覆蓋更寬的電磁波譜范圍。*器件結構相對簡單，有時可實現較薄的器件厚度。*挑戰(zhàn)：*電學性能相對較差，如載流子遷移率低、漏電流大、開啟電壓高等，限制了器件速度和效率。*穩(wěn)定性問題突出，易受氧氣、水分、光照等環(huán)境因素影響而性能衰減，使用壽命相對較短。*材料的純度和均勻性控制難度較大，影響器件性能的批次一致性。*器件集成度和制造工藝的成熟度尚需提高。3.光子晶體能夠對光傳播產生獨特調控作用的原因：光子晶體是一種具有介電常數或磁導率在空間上周期性分布的結構。這種周期性結構就像半導體中的原子周期性排列一樣，會對電磁波（光）產生散射。當光波在光子晶體中傳播時，周期性結構引發(fā)的散射會干擾不同波矢（k）的光波的相干疊加。對于特定頻率（或波矢）的光波，散射會使其相干性被破壞，導致其無法傳播，從而形成光子帶隙。在光子帶隙內，光子被禁止傳播；而在帶隙之外，光子可以傳播，但傳播模式會受到限制。通過設計光子晶體的結構參數（如周期、組成材料折射率），可以精確調控光子帶隙的位置和寬度，實現對光傳播方向、模式、透射/反射特性的高度控制，這是傳統(tǒng)均勻介質無法實現的。五、計算題解：已知：γ=1.0×10^-3V^-1,V=5V,L=10μm=10×10^-6m,λ=1550nm=1550×10^-9m首先計算折射率變化Δn：Δn=γ×V=(1.0×10^-3V^-1)×5V=5.0×10^-3然后計算相位變化Δφ：Δφ=2π×nL×Δn/λ假設調制器未加電壓時有效折射率n接近空氣折射率，近似取n≈1.0（注：實際計算中應使用器件材料折射率，此處為簡化假設），則：Δφ=2π×(1.0)×(10×10^-6m)×(5.0×10^-3)Δφ=2π×10×10^-6×5.0×10^-3Δφ=2π×50×10^-9Δφ=100π×10^-9Δφ=1.0×10^-6×π弧度Δφ≈3.14×10^-6弧度六、論述題分子光通信與光子技術憑借其獨特的材料優(yōu)勢、器件可集成性和潛在的性能，在下一代信息技術中展現出重要應用前景和面臨的挑戰(zhàn)。*在高速互聯方面：分子光電器件（如高速光調制器、低功耗光探測器）的小型化、集成化有望應用于片上光互連（SiPhC）或近場通信（ProximityCommunication），解決電信號傳輸瓶頸問題，實現更高帶寬、更低延遲、更低功耗的數據傳輸。特別是基于有機半導體、量子點等材料的柔性光波導和光電器件，有望構建可拉伸、可卷曲的柔性電子系統(tǒng)，實現更靈活、更智能的互聯。*在柔性顯示方面：分子發(fā)光二極管（OLED）、量子點發(fā)光二極管（QLED）等基于分子/納米材料的顯示技術已廣泛應用，其自發(fā)光、高對比度、廣色域、柔性可彎折等優(yōu)勢是傳統(tǒng)LCD技術難以比擬的。分子光通信技術可與這些顯示技術深度融合，實現光致發(fā)光顯示、集成式光通信模塊等創(chuàng)新應用。*在量子通信方面：分子系統(tǒng)具有獨特的量子特性，如量子糾纏、量子相干等，利用這些特性可以構建新型量子光源、量子存儲器和量子探測器。分子光通信技術為量子信息的傳輸提供了潛在的低損耗、高集成度通道，對于構建廣域量子通信網絡具有重要意義。例如，利用特定分子對的發(fā)光特性實現量子密鑰分發(fā)（QKD）。*面臨的挑戰(zhàn)：*性能瓶頸：有機/納米材料光電器件的載流子遷移率、量子效率、響應速度、