光電子技術與應用考試題及答案2025年一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.半導體激光器（LD）實現(xiàn)受激輻射的必要條件是：A.粒子數反轉且諧振腔損耗小于增益B.粒子數反轉且諧振腔損耗大于增益C.熱平衡狀態(tài)且諧振腔損耗等于增益D.自發(fā)輻射占主導且諧振腔存在反饋答案：A2.下列關于光纖數值孔徑（NA）的描述中，錯誤的是：A.NA=√(n?2-n?2)，n?為纖芯折射率，n?為包層折射率B.NA越大，光纖的集光能力越強C.多模光纖的NA通常小于單模光纖D.NA與光纖的入射角臨界值相關答案：C3.光電倍增管（PMT）的核心工作原理是：A.內光電效應與二次電子發(fā)射B.外光電效應與載流子倍增C.光伏效應與雪崩擊穿D.光電導效應與熱電轉換答案：A4.下列器件中，基于非線性光學效應的是：A.半導體激光器B.馬赫-曾德爾電光調制器C.二次諧波發(fā)生器（SHG）D.PIN光電探測器答案：C5.對于發(fā)光二極管（LED）和半導體激光器（LD），以下描述正確的是：A.LED的光譜寬度比LD窄B.LD需要粒子數反轉，LED不需要C.LED的調制速率通常高于LDD.LD的輸出功率與注入電流呈線性關系答案：B6.光纖通信中，色散導致的主要問題是：A.信號幅度衰減B.信號脈沖展寬C.模式噪聲增加D.非線性效應增強答案：B7.雪崩光電二極管（APD）的倍增因子M隨反向偏壓的變化規(guī)律是：A.偏壓增大，M先增大后減小B.偏壓增大，M單調增大至擊穿C.偏壓增大，M保持恒定D.偏壓增大，M先減小后增大答案：B8.下列哪項不是激光的基本特性？A.高方向性B.高相干性C.寬光譜D.高亮度答案：C9.光調制器中，利用電光效應的是：A.聲光調制器B.熱光調制器C.鈮酸鋰馬赫-曾德爾調制器D.半導體量子阱調制器答案：C10.超短脈沖激光（飛秒級）的產生主要依賴于：A.調Q技術B.鎖模技術C.增益開關技術D.外腔反饋技術答案：B二、填空題（每空1分，共20分）1.激光產生的三個必要條件是______、______和______。答案：粒子數反轉、諧振腔、增益大于損耗2.光纖的色散主要包括______、______和______三類。答案：模式色散、材料色散、波導色散3.半導體光電探測器的響應度R定義為______，單位是______。答案：輸出光電流與入射光功率的比值；A/W4.非線性光學中，二階極化強度P?2?與入射光場的關系為______（寫出表達式）。答案：P?2?=ε?χ?2?E2（ε?為真空介電常數，χ?2?為二階非線性極化率，E為光場強度）5.半導體激光器的閾值電流密度Jth與材料的______、______和______直接相關。答案：自發(fā)輻射系數、諧振腔損耗、模式限制因子6.光纖的損耗主要由______、______和______引起。答案：吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗7.光電導探測器的工作原理是基于______效應，其響應時間主要受限于______。答案：內光電（光電導）；載流子壽命8.鎖模激光器中，主動鎖模通過______實現(xiàn)，被動鎖模通過______實現(xiàn)。答案：外調制器（如電光調制器）；可飽和吸收體三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述半導體激光器（LD）中縱模和橫模的區(qū)別及對輸出特性的影響。答案：縱模是沿諧振腔軸向的光場分布，由腔長和折射率決定，對應激光的波長（頻率）；橫模是垂直于諧振腔軸向的光場分布，反映光斑形狀（如基模TEM??為高斯分布）?？v模決定激光的單色性，多縱模會導致光譜展寬；橫模影響光束質量，高階橫模會使光斑畸變、發(fā)散角增大，基模具有最佳方向性和相干性。2.比較PIN光電探測器與雪崩光電二極管（APD）的優(yōu)缺點。答案：PIN探測器結構簡單，噪聲低（主要為散粒噪聲和熱噪聲），工作偏壓低（約5-10V），但無內部增益，靈敏度較低；APD利用雪崩倍增效應實現(xiàn)內部增益（M可達10-100），靈敏度高，適合長距離弱信號檢測，但需要高偏壓（幾十至幾百伏），倍增過程引入額外的倍增噪聲（過剩噪聲），且溫度穩(wěn)定性較差（需溫度補償）。3.分析光纖色散對高速光纖通信系統(tǒng)的影響，并說明降低色散的主要方法。答案：色散會導致光脈沖在傳輸過程中展寬，當脈沖展寬超過符號間隔時，會引起碼間串擾（ISI），限制系統(tǒng)的傳輸速率和距離。降低色散的方法包括：（1）使用單模光纖（消除模式色散）；（2）設計色散位移光纖（DSF）或非零色散位移光纖（NZ-DSF），將零色散波長移至通信窗口（如1550nm）；（3）采用色散補償技術（如色散補償光纖、啁啾光纖光柵）；（4）使用相干通信與數字信號處理（DSP）補償色散。4.說明電光調制器的工作原理，并列舉一種典型電光材料及其優(yōu)勢。答案：電光調制器利用電光效應（外加電場引起材料折射率變化）改變光的相位、振幅或偏振態(tài)。以鈮酸鋰（LiNbO?）馬赫-曾德爾調制器為例，輸入光分為兩臂，臂上電極施加調制電壓，通過泡克耳斯效應（線性電光效應）改變兩臂折射率，引入相位差，經耦合器干涉后輸出調制光。鈮酸鋰的優(yōu)勢包括：電光系數大、帶寬寬（可達100GHz以上）、溫度穩(wěn)定性好、工藝成熟。5.解釋非線性光學中的相位匹配條件，并說明其在二次諧波產生（SHG）中的作用。答案：相位匹配條件要求基頻光（ω）與二次諧波（2ω）的波矢滿足Δk=k?ω-2kω=0，即兩束光在介質中的傳播速度相同（折射率相等，n(2ω)=n(ω)）。在SHG中，若不滿足相位匹配，基頻光與諧波光會因相位失配導致能量來回轉換，平均轉換效率極低；滿足相位匹配時，能量可單向從基頻光轉移至諧波光，實現(xiàn)高效頻率轉換。四、計算題（每題8分，共32分）1.某GaAs半導體激光器的腔長L=250μm，折射率n=3.6，損耗系數α=10cm?1，自發(fā)輻射因子β=10??，增益系數g=α+1/L·ln(1/R?R?)（R?=R?=0.3）。求閾值增益gth和閾值電流密度Jth（假設載流子壽命τ=1ns，電子電荷e=1.6×10?1?C）。答案：（1）閾值增益gth=α+(1/L)·ln(1/√(R?R?))？不，正確公式應為gth=α+(1/(2L))·ln(1/(R?R?))（考慮往返損耗）。代入數據：R?=R?=0.3，ln(1/(0.3×0.3))=ln(1/0.09)=2.407；L=250μm=2.5×10?2cm；gth=10cm?1+(2.407)/(2×2.5×10?2cm)=10+48.14=58.14cm?1≈58cm?1。（2）閾值電流密度Jth=e·nth/τ，其中nth為閾值載流子濃度，由gth=σ(nth-n?)（σ為受激發(fā)射截面，假設n?≈0），但題目未給σ，可能需用另一種關系：Jth=(e·gth·τ)/(β·n)（經驗公式）。假設σ=2×10?1?cm2（典型值），則nth=gth/σ=58cm?1/2×10?1?cm2=2.9×101?cm?3；Jth=e·nth/τ=1.6×10?1?C×2.9×101?cm?3/1×10??s=4.64×10?A/m2=4.64×103A/cm2（注：單位轉換需注意，1cm3=10??m3，故nth=2.9×101?cm?3=2.9×1023m?3；Jth=1.6×10?1?×2.9×1023/1×10??=4.64×1013A/m2？顯然錯誤，正確應為nth單位為cm?3，τ單位為s，Jth=e·nth·v_g（v_g為群速度），可能題目簡化為Jth=e·nth/τ，需重新核對。正確公式應為Jth=(e·d·nth)/τ，d為有源區(qū)厚度（假設d=0.1μm=1×10??cm），則Jth=1.6×10?1?C×1×10??cm×2.9×101?cm?3/1×10??s=4.64×103A/cm2（最終答案以合理近似為準）。2.某單模光纖的色散系數D=17ps/(nm·km)，工作波長λ=1550nm，光源譜寬Δλ=0.5nm，計算傳輸100km后的脈沖展寬Δτ，并判斷是否支持10Gbps（符號間隔T=100ps）的傳輸。答案：脈沖展寬Δτ=|D|·Δλ·L=17ps/(nm·km)×0.5nm×100km=850ps。10Gbps的符號間隔T=1/10Gbps=100ps，Δτ=850ps>T，會產生嚴重碼間串擾，無法直接支持10Gbps傳輸（需色散補償）。3.某PIN探測器的量子效率η=80%，工作波長λ=1310nm，計算其響應度R（h=6.626×10?3?J·s，c=3×10?m/s，e=1.6×10?1?C）。答案：響應度R=η·e·λ/(h·c)代入數據：η=0.8，λ=1310nm=1.31×10??m，R=0.8×1.6×10?1?C×1.31×10??m/(6.626×10?3?J·s×3×10?m/s)=0.8×1.6×1.31×10?2?/(1.9878×10?2?)≈(1.6768×10?2?)/(1.9878×10?2?)×0.8≈0.843×0.8≈0.674A/W。4.某非線性晶體用于二次諧波產生，基頻光波長λ=1064nm，晶體的折射率n(ω)=1.85，n(2ω)=1.87。若采用角度相位匹配，求所需的匹配角θ（假設晶體為單軸晶體，尋常光折射率no=1.85，非尋常光折射率ne(θ)=√(no2sin2θ+ne2cos2θ)，ne=1.87）。答案：相位匹配要求n(2ω)=n(ω)，但此處n(2ω)（倍頻光）作為非尋常光，n(ω)（基頻光）為尋常光。設基頻光為o光，折射率no=1.85；倍頻光為e光，折射率ne(θ)=n(2ω)_eff。相位匹配條件：ne(θ)=no(ω)=1.85。ne(θ)=√(no2sin2θ+ne2cos2θ)=1.85代入no=1.85（基頻o光），ne=1.87（倍頻e光的主折射率），平方兩邊：1.852=1.852sin2θ+1.872cos2θ整理：1.852(1-sin2θ)+1.872cos2θ=1.852→1.852cos2θ+1.872cos2θ=1.852→cos2θ(1.852+1.872-1.852)=1.852？不，正確展開應為：1.852=1.852sin2θ+1.872(1-sin2θ)→1.852=1.872-(1.872-1.852)sin2θ→(1.872-1.852)sin2θ=1.872-1.852→sin2θ=1→θ=90°（矛盾，說明假設基頻光為o光、倍頻光為e光時無法匹配，可能需基頻光為e光，倍頻光為o光，或調整晶體類型）。正確方法：相位匹配條件為n(ω,θ)=n(2ω)，假設基頻光為e光，折射率ne(θ)=√(no2sin2θ+ne2cos2θ)，倍頻光為o光，折射率no=1.87（題目中n(2ω)=1.87）。則ne(θ)=no(2ω)=1.87即√(1.852sin2θ+1.872cos2θ)=1.87平方得：1.852sin2θ+1.872cos2θ=1.872→1.852sin2θ=1.872(1-cos2θ)=1.872sin2θ→(1.872-1.852)sin2θ=0→sinθ=0→θ=0°（同樣矛盾，說明需重新核對參數，可能題目中n(ω)=1.85為基頻o光，n(2ω)=1.87為倍頻e光的主折射率，正確相位匹配條件為n(ω)_o=n(2ω)_e(θ)，即1.85=√(no(2ω)2sin2θ+ne(2ω)2cos2θ)，假設no(2ω)=1.87（倍頻o光折射率），ne(2ω)=1.85（倍頻e光折射率，負單軸晶體），則：1.85=√(1.872sin2θ+1.852cos2θ)平方得：1.852=1.872sin2θ+1.852cos2θ→1.852(1-cos2θ)=1.872sin2θ+1.852cos2θ-1.852→0=sin2θ(1.872-1.852)→sinθ=0→θ=0°（仍矛盾，可能題目數據簡化，正確答案為通過角度調整使n(2ω)=n(ω)，此處Δn=1.87-1.85=0.02，需計算θ使得ne(θ)=1.85，最終θ≈arcsin(√[(ne2-n_match2)/(ne2-no2)])，代入no=1.85，ne=1.87，n_match=1.85，得θ=90°，即臨界相位匹配。）五、綜合分析題（每題9分，共18分）1.設計一個5G前傳光模塊（25Gbps，波長1310nm，傳輸距離10km），需考慮哪些光電子器件的選擇與參數優(yōu)化？請從光源、調制器、探測器、光纖四方面展開。答案：（1）光源：選擇25Gbps高速半導體激光器，需滿足：①高調制速率（-3dB帶寬>15GHz），可采用DFB-LD（分布反饋激光器）保證單縱模輸出（抑制模式色散）；②低啁啾（線寬<100MHz），減少色散導致的脈沖展寬；③工作溫度穩(wěn)定性（-40℃~85℃），需集成TEC（熱電制冷器）或選擇無制冷設計（EML可能更優(yōu)）。（2）調制器：25Gbps速率下，直接調制（DML）可能因啁啾導致色散容限不足（10km傳輸時，1310nm光纖色散約17ps/(nm·km)，DML啁啾系數α≈3，總色散展寬Δτ=α·λ2/(4πc)·D·L，需α<2），故優(yōu)選外調制器（如電吸收調制器EML，集成DFB+EA調制器），EA調制器啁啾系數可接近0，適合長距離傳輸。（3）探測器：選擇25GbpsPIN或APD探測器。PIN探測器噪聲低，10km傳輸光功率較高（-14dBm左右），PIN（響應度≈0.8A/W）輸出電流約0.8×10^(-14/10)mW=0.8×0.0398mA≈31.8μA，經跨阻放大器（TIA）可滿足信噪比要求；若鏈路損耗大（如光纖老化），可選用APD（倍增因子M=10，響應度≈8A/W），但需注意倍增噪聲（過剩噪聲因子F(M)=M^x，x≈0.3~0.5）。（4）光纖：選用G.652單模光纖（1310nm窗口色散最低），衰減約0.35dB/km，10km總衰減3.5dB，加上連接器