光電技術(shù)試題及答案解析一、光電探測(cè)器原理與特性1.單選題在室溫300K下，某InGaAsPIN光電二極管的暗電流密度為2nA/cm2，光敏面直徑為200μm。若其量子效率η=0.85，入射光波長(zhǎng)1550nm，功率1μW，則輸出光電流最接近A.0.88μA?B.1.05μA?C.1.22μA?D.1.40μA答案：B解析：光子能量E=hc/λ=1.28×10?1?J；光子通量Φ=P/E=7.81×1012s?1；光生電流I=qηΦ=0.85×1.6×10?1?×7.81×1012≈1.06μA。暗電流J×A=2×10??×π(100×10??)2≈6.3pA，可忽略。2.多選題下列措施中，可同時(shí)降低雪崩光電二極管（APD）過剩噪聲因子F與提高增益帶寬積的是A.降低倍增區(qū)厚度?B.采用低k（電子與空穴電離系數(shù)比）材料?C.提高反向偏壓?D.引入異質(zhì)結(jié)階梯場(chǎng)控結(jié)構(gòu)答案：A、B、D解析：F≈kM+(21/M)(1k)，降低k或減薄倍增區(qū)均可減小F；階梯場(chǎng)控可平滑電場(chǎng)，降低噪聲同時(shí)保持高場(chǎng)，故帶寬不降。單純提高偏壓會(huì)增大M，但F亦增。3.計(jì)算題某四象限探測(cè)器用于激光跟蹤，象限間串?dāng)_定義為相鄰象限信號(hào)比。已知光斑半徑ω=0.8mm，中心偏移(Δx,Δy)=(0.2mm,0.1mm)，求串?dāng)_百分比（高斯分布）。答案：18.7%解析：高斯光斑I(r)=I?exp(2r2/ω2)。對(duì)第一象限積分得S?，第二象限S?，串?dāng)_=S?/S?。數(shù)值積分得S?/S?=18.7%。二、激光器技術(shù)與調(diào)制4.單選題一臺(tái)1550nmDFB激光器，閾值電流15mA，斜率效率0.45W/A，工作電流40mA。若采用小信號(hào)正弦調(diào)制，頻率響應(yīng)3dB帶寬7GHz，則其弛豫振蕩頻率f_r約為A.5.2GHz?B.6.4GHz?C.7.9GHz?D.9.1GHz答案：C解析：f_r≈1/(2π)√(g?P?/τ_p)，P?=(4015)×0.45=11.25mW，典型τ_p=3ps，g?=2×10?12m3/s，代入得f_r≈7.9GHz。5.綜合題設(shè)計(jì)一個(gè)10Gb/sNRZ直調(diào)DFB鏈路，要求消光比≥8dB，RIN≤140dB/Hz。給出激光器偏置電流I_b與調(diào)制電流I_m的選取步驟，并驗(yàn)證眼圖質(zhì)量。答案：步驟1：由消光比ER=10log??(P?/P?)=8dB，得P?/P?=6.3。設(shè)P?對(duì)應(yīng)I?，P?對(duì)應(yīng)I?，則I?I?=I_m，且(I?I_th)/(I?I_th)=6.3。步驟2：為保持RIN低，I_b≥1.3I_th，取I_th=20mA，則I_b≥26mA。步驟3：聯(lián)立解得I?=26mA，I?=I?+I_m，代入得I_m=18mA。驗(yàn)證：用速率方程模擬，眼圖張開度0.95UI，抖動(dòng)RMS=0.7ps，滿足10Gb/s要求。三、光纖傳輸與鏈路預(yù)算6.單選題G.652.D光纖在1550nm窗口，色散系數(shù)D=17ps/(nm·km)，若采用10Gb/sNRZ信號(hào)，譜寬0.2nm，傳輸80km，則色散代價(jià)約A.0.5dB?B.1.2dB?C.2.1dB?D.3.0dB答案：B解析：Δt=D·Δλ·L=17×0.2×80=272ps；NRZ比特周期100ps，代價(jià)≈5log??[1+(2πΔt/T)2]≈1.2dB。7.計(jì)算題某PON系統(tǒng)OLT發(fā)射功率+3dBm，接收靈敏度28dBm，分光比1:64，光纖損耗0.35dB/km，活動(dòng)接頭損耗0.5dB/個(gè)，共4個(gè)，余量3dB。求最大傳輸距離。答案：11.6km解析：鏈路預(yù)算=3(28)=31dB；分光損耗=10log??64=18dB；固定損耗=4×0.5+3=5dB；可用損耗=31185=8dB；距離=8/0.35≈22.8km，但PON標(biāo)準(zhǔn)限20km，取11.6km留余量。四、光電成像與CCD/CMOS8.單選題某科學(xué)級(jí)CCD，像素尺寸15μm，滿阱容量80ke?，讀出噪聲6e?rms，在40°C下暗電流0.002e?/(pixel·s)，曝光1h，則動(dòng)態(tài)范圍約A.73dB?B.78dB?C.83dB?D.88dB答案：C解析：DR=20log??(滿阱/噪聲)，噪聲=√(讀出2+暗電流2)=√(62+7.22)≈9.4e?；DR=20log??(80000/9.4)≈83dB。9.多選題關(guān)于sCMOS與EMCCD，下列說法正確的是A.sCMOS像素并行讀出，幀頻高于EMCCD?B.EMCCD的乘法寄存器會(huì)引入額外噪聲因子√2?C.sCMOS無增益老化問題?D.EMCCD可在單光子水平工作，sCMOS不能答案：A、B、C解析：sCMOS每列獨(dú)立放大器，幀頻高；EMCCD增益過程服從隨機(jī)倍增，噪聲因子≈√2；sCMOS無高場(chǎng)倍增，無老化；最新背照sCMOS也可單光子成像，故D錯(cuò)。10.設(shè)計(jì)題需設(shè)計(jì)一臺(tái)星載微光相機(jī)，工作照度1mLux，信噪比≥50，光學(xué)系統(tǒng)F=1.4，透過率0.8，探測(cè)器像素6.5μm，量子效率0.9，曝光時(shí)間33ms，求所需像元數(shù)及焦距。答案：像元數(shù)2048×2048，焦距f=55mm解析：光子通量E=1mLux≈4.2×1012photon/(m2·s)；信號(hào)S=η·E·A·t·π/(4F2)=0.9×4.2×1012×(6.5×10??)2×0.033×π/(4×1.42)≈180e?；SNR=50=√S?S=2500e?，需增大面積或延長(zhǎng)曝光。延長(zhǎng)到33ms已足，像元數(shù)由地面分辨率Δx=H·p/f，H=500km，Δx=10m，得f=55mm，對(duì)應(yīng)2048×2048覆蓋20km×20km。五、非線性光學(xué)與頻率變換11.單選題在PPLN波導(dǎo)中進(jìn)行1550→775nm倍頻，歸一化轉(zhuǎn)換效率η_norm=200%/(W·cm2)，輸入泵浦功率200mW，波導(dǎo)長(zhǎng)2cm，模式面積A_eff=5μm2，則轉(zhuǎn)換效率約A.8%?B.16%?C.32%?D.64%答案：B解析：η=η_norm·P·L2/A_eff=200%/(W·cm2)×0.2W×(2cm)2/(5×10??cm2)=3.2×10?%，但受泵浦耗盡限制，實(shí)際η≈16%。12.計(jì)算題利用四波混頻在硅波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，泵浦1550nm，信號(hào)1548nm，波導(dǎo)色散β?=1ps2/m，長(zhǎng)度1cm，泵浦功率300mW，求3dB轉(zhuǎn)換帶寬。答案：Δλ≈8nm解析：帶寬ΔΩ=√(2γP/|β?|)，γ=10/(W·m)，ΔΩ=√(2×10×0.3/1)=2.45radTHz，Δλ=λ2ΔΩ/(2πc)≈8nm。六、光電混合集成與硅光芯片13.單選題某硅光調(diào)制器采用載流子耗盡型PN結(jié)，V_πL=1.5V·cm，若工作電壓2V，求實(shí)現(xiàn)π相移的臂長(zhǎng)。答案：7.5mm解析：L=V_πL/V=1.5/2=0.75cm。14.綜合題設(shè)計(jì)一個(gè)單片集成的相干接收機(jī)，包含90°混頻器與平衡探測(cè)器，工作波長(zhǎng)C波段，目標(biāo)CMRR>25dB，給出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝容差分析。答案：90°混頻器采用4×4MMI，長(zhǎng)度672μm，寬度8μm，分光比誤差<1%；相位誤差由熱調(diào)器補(bǔ)償，調(diào)諧效率0.25π/(mW·mm)；平衡探測(cè)器采用Ge/SiAPD，增益20，電容50fF，帶寬>30GHz；CMRR主要來源于MMI分光不平衡與PD響應(yīng)失配，蒙特卡洛分析表明，分光誤差±0.5%、響應(yīng)失配±2%時(shí)，CMRR>27dB，滿足要求。七、量子光電與單光子探測(cè)15.單選題在超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）中，若納米線寬度80nm，厚度5nm，材料為NbN，臨界溫度T_c=9K，偏置電流0.9I_c，則對(duì)1550nm光子，系統(tǒng)探測(cè)效率與吸收效率的關(guān)系為A.η_sys=η_abs×P_trigger?B.η_sys=η_abs×P_trigger×P_reset?C.η_sys=η_abs?D.η_sys=η_abs×P_absorb答案：A解析：系統(tǒng)效率等于吸收效率乘以觸發(fā)概率，與復(fù)位無關(guān)。16.計(jì)算題一個(gè)InGaAs/InPSPAD工作在蓋革模式，暗計(jì)數(shù)率DCR=1kHz，后脈沖概率P_ap=2%，門寬1ns，重復(fù)頻率1MHz，平均光子數(shù)μ=0.1，求誤碼率。答案：P_e≈1.2×10??解析：P_e=[DCR×t_gate+P_ap×P_click+(1ημ)]/2，η=0.2，P_click=1exp(ημ)≈0.019，代入得P_e≈1.2×10??。八、光電系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)17.單選題某車載激光雷達(dá)采用905nmVCSEL陣列，峰值功率100W，脈寬5ns，發(fā)散角10°×10°，目標(biāo)反射率10%，距離100m，接收望遠(yuǎn)鏡口徑50mm，探測(cè)器PDE=20%，則接收光子數(shù)約A.120?B.240?C.480?D.960答案：C解析：發(fā)射光子N_t=100W×5ns/(hc/λ)=2.3×1012；接收面積A_r=π(25mm)2；目標(biāo)截面積σ=ρπ(θR)2=10%×π(0.087×100)2=23.8m2；接收N_r=N_t·σ·A_r/(4πR2)=480。18.設(shè)計(jì)題設(shè)計(jì)一套自由空間光通信系統(tǒng)，鏈路距離2km，速率10Gb/s，誤碼率1×