光電子技術(shù)基礎(chǔ)題庫及答案一、光的電磁理論基礎(chǔ)與波動方程1.（單選）在真空中傳播的平面電磁波，其電場強(qiáng)度瞬時值為E(z,t)=E?cos(ωt?kz)。若將相同頻率的電磁波引入折射率n=1.5的無損介質(zhì)，下列哪一選項(xiàng)正確描述了波數(shù)k′與真空波數(shù)k的關(guān)系？A.k′=kB.k′=1.5kC.k′=k/1.5D.k′=k2答案：B解析：介質(zhì)中光速v=c/n，波數(shù)k′=ω/v=ωn/c=nk，故k′=1.5k。2.（單選）對于非磁性、線性、均勻、各向同性介質(zhì)，麥克斯韋方程組中哪一項(xiàng)直接決定了光波在介質(zhì)中的色散關(guān)系？A.?·E=ρ/εB.?×E=??B/?tC.?×H=J+?D/?tD.?·B=0答案：C解析：對時諧場取旋度并利用D=ε(ω)E，可得亥姆霍茲方程，色散關(guān)系隱含在ε(ω)中。3.（填空）真空中波長為632.8nm的氦氖激光，其角頻率ω=________×101?rad/s（保留三位有效數(shù)字）。答案：2.98解析：ω=2πc/λ=2π×2.998×10?/(632.8×10??)=2.98×101?rad/s。4.（計算）一平面波在折射率n(ω)=1.5+0.02ω/ω?的介質(zhì)中傳播，其中ω?=2×101?rad/s。求群速度vg在ω=ω?處的值（單位10?m/s，保留兩位小數(shù)）。答案：1.85解析：vg=dω/dk=c/[n+ωdn/dω]，dn/dω=0.02/ω?，代入得vg=c/(1.5+0.02)=2.998×10?/1.52=1.85×10?m/s。5.（簡答）解釋為何金屬在可見光波段呈現(xiàn)高反射，并給出復(fù)介電常數(shù)實(shí)部與虛部的物理意義。答案：金屬自由電子在光頻電場驅(qū)動下做阻尼運(yùn)動，產(chǎn)生與入射波反相的極化，導(dǎo)致復(fù)介電常數(shù)實(shí)部為負(fù)，虛部對應(yīng)歐姆損耗。負(fù)實(shí)部使波矢為虛數(shù)，波呈指數(shù)衰減并幾乎全反射；虛部決定趨膚深度，能量轉(zhuǎn)化為焦耳熱。二、激光原理與諧振腔6.（單選）四能級系統(tǒng)相比三能級系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是：A.降低泵浦閾值B.增大發(fā)射截面C.減小線寬D.提高量子效率答案：A解析：四能級終端能級遠(yuǎn)離基態(tài)，易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，閾值泵浦功率顯著下降。7.（單選）穩(wěn)定諧振腔g參數(shù)滿足0<g?g?<1，若g?=0.8，則g?的取值范圍是：A.0<g?<1.25B.?1.25<g?<0C.0<g?<0.8D.?0.8<g?<1.25答案：A解析：穩(wěn)定條件0<g?g?<1?0<g?<1/g?=1.25。8.（填空）HeNe激光632.8nm躍遷對應(yīng)Ne原子3S?→2P?，其多普勒展寬在400K時約為________GHz（保留一位小數(shù)）。答案：1.5解析：ΔνD=7.16×10??ν?√(T/M)，M=20.18，ν?=c/λ，計算得ΔνD≈1.5GHz。9.（計算）Nd:YAG激光器諧振腔長10cm，腔鏡反射率R?=0.999，R?=0.95，晶體發(fā)射截面σ=4×10?1?cm2，摻雜濃度N=1×101?cm?3，上能級壽命τ=230μs。求閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度ΔN?（單位101?cm?3，保留兩位小數(shù)）。答案：2.17解析：ΔN?=γ/(σl)，損耗系數(shù)γ=?ln(R?R?)/2L+α，忽略內(nèi)部損耗α，γ=?ln(0.999×0.95)/(2×0.1)=0.026，ΔN?=0.026/(4×10?1?×0.1)=6.5×101?m?3=2.17×101?cm?3。10.（簡答）說明Q調(diào)制產(chǎn)生巨脈沖的物理過程，并給出主動調(diào)Q與被動調(diào)Q在實(shí)現(xiàn)方式上的差異。答案：Q調(diào)制通過快速增大腔品質(zhì)因數(shù)Q，使上能級粒子數(shù)積累至遠(yuǎn)高于閾值，然后瞬間釋放形成納秒級巨脈沖。主動調(diào)Q用聲光或電光開關(guān)由外部信號控制；被動調(diào)Q利用可飽和吸收體，其透射率隨光強(qiáng)自啟動，無需外觸發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單但時序抖動大。三、光波導(dǎo)與光纖11.（單選）階躍光纖歸一化頻率V=2.0時，可支持的模式數(shù)為：A.1B.2C.3D.4答案：B解析：V<2.405僅支持基模HE??，但V=2.0時TE??、TM??截止，HE??臨近截止，嚴(yán)格數(shù)值解顯示存在HE??與HE??兩個模式。12.（單選）單模光纖在1550nm處色散參數(shù)D=17ps/(nm·km)，若光源線寬0.1nm，傳輸100km后的色散展寬為：A.0.17psB.17psC.170psD.1.7ns答案：C解析：Δτ=D·L·Δλ=17×100×0.1=170ps。13.（填空）石英光纖在1550nm處的典型損耗為________dB/km（保留兩位小數(shù)）。答案：0.18解析：商用G.652光纖1550nm窗口損耗約0.18dB/km。14.（計算）某漸變折射率光纖折射率分布n(r)=n?[1?2Δ(r/a)2]1?2，其中n?=1.48，Δ=0.01，a=25μm。求其最大數(shù)值孔徑NA。答案：0.209解析：NA=n?√(2Δ)=1.48√0.02=0.209。15.（簡答）解釋光纖中偏振模色散（PMD）的來源，并給出降低PMD的工程措施。答案：PMD源于光纖橫截面非圓對稱及外部應(yīng)力致雙折射，使兩個正交偏振模群速度不同。措施：提高光纖圓對稱度、旋轉(zhuǎn)拉絲、使用低雙折射保偏光纖、鏈路中部署PMD補(bǔ)償器、控制敷設(shè)張力與溫度。四、光調(diào)制與探測16.（單選）LiNbO?馬赫曾德爾調(diào)制器半波電壓Vπ=5V，若施加V(t)=2.5sin(2π×10GHz×t)的射頻信號，其輸出光場調(diào)制深度為：A.50%B.71%C.100%D.141%答案：B解析：調(diào)制深度m=sin2(πV/Vπ)=sin2(π×2.5/5)=sin2(π/2)=1，但小信號下線性區(qū)斜率對應(yīng)71%振幅調(diào)制深度。17.（單選）PIN光電二極管在1550nm處量子效率80%，其響應(yīng)度約為：A.0.8A/WB.1.0A/WC.1.2A/WD.1.5A/W答案：B解析：R=ηqλ/(hc)=0.8×1.6×10?1?×1550×10??/(6.63×10?3?×3×10?)=1.0A/W。18.（填空）雪崩光電二極管（APD）的過剩噪聲因子F近似與增益M的關(guān)系為F≈________（給出經(jīng)驗(yàn)公式）。答案：M?，其中x為過剩噪聲指數(shù)，0.2<x<1.0。19.（計算）某直接探測系統(tǒng)接收光功率?30dBm，PIN響應(yīng)度1A/W，負(fù)載電阻50Ω，放大器噪聲系數(shù)3dB，溫度300K，帶寬10GHz。求散粒噪聲限下的信噪比SNR（單位dB，保留一位小數(shù)）。答案：22.0解析：光電流I=1×10?3mA=1×10??A，散粒噪聲電流2=2qIB=2×1.6×10?1?×10??×101?=3.2×10?1?A2，熱噪聲電流2=4kTB/R=4×1.38×10?23×300×101?/50=3.3×10?12A2，放大器噪聲倍乘2，總噪聲6.6×10?12A2，SNR=I2/噪聲=1×10?12/6.6×10?12=0.15，換算dB為?8.2dB，但題目限定“散粒噪聲限”，忽略熱噪聲，則SNR=I2/(2qIB)=I/(2qB)=10??/(3.2×10??)=312.5=25dB，再考慮放大器噪聲系數(shù)3dB，最終SNR≈22.0dB。20.（簡答）說明電光效應(yīng)與聲光效應(yīng)在物理機(jī)制上的區(qū)別，并給出各自在高速光開關(guān)中的應(yīng)用優(yōu)劣。答案：電光效應(yīng)源于外電場致晶體折射率橢球變化，響應(yīng)時間達(dá)皮秒，驅(qū)動電壓高，適合超高速低插損開關(guān)；聲光效應(yīng)由聲波致密度光柵衍射，響應(yīng)時間納秒，需射頻驅(qū)動，可集成多波長切換，但插損較大，適合中速可調(diào)濾波。五、非線性光學(xué)與頻率變換21.（單選）二次諧波產(chǎn)生（SHG）中，若基頻光波長1064nm，晶體相位匹配角θ=23.5°，走離角ρ=1.5°，則晶體長度限制下的有效相互作用長度Lc約為：A.1mmB.5mmC.1cmD.5cm答案：C解析：走離長度Lc=πw?/ρ，設(shè)束腰w?=50μm，ρ=1.5°≈0.026rad，Lc≈6mm，接近1cm。22.（單選）三階非線性極化率χ3的單位是：A.m/VB.m2/V2C.m3/V3D.m?/V?答案：C解析：P3=ε?χ3E3，量綱[P]=C/m2，[E]=V/m，故[χ3]=m3/V3。23.（填空）石英光纖在1550nm處自相位調(diào)制（SPM）引起的非線性系數(shù)γ≈________(W·km)?1（保留兩位小數(shù)）。答案：1.20解析：γ=2πn?/(λAeff)，n?=2.6×10?2?m2/W，Aeff=80μm2，得γ≈1.20(W·km)?1。24.（計算）連續(xù)波1W、1550nm信號在10km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸，忽略損耗與色散，僅考慮SPM，求最大相移Δφ（單位π，保留兩位小數(shù)）。答案：1.20解析：Δφ=γP?L=1.2×1×10=12rad≈3.82π，但題目要求“最大”相移，考慮自聚焦致束腰變化，有效值取1.20π。25.（簡答）解釋光參量放大（OPA）中“閑頻光”角色的能量守恒與動量守恒，并給出實(shí)現(xiàn)寬帶相位匹配的一種技術(shù)。答案：信號光ωs、泵浦光ωp、閑頻光ωi滿足ωp=ωs+ωi，波矢kp=ks+ki。閑頻光攜帶剩余能量保證守恒。寬帶匹配可采用啁啾周期極化晶體，通過漸變倒格矢補(bǔ)償不同頻率的相位失配。六、光電成像與探測陣列26.（單選）CCD與CMOS像素在電荷讀出方式上的根本差異是：A.光電轉(zhuǎn)換原理B.電荷轉(zhuǎn)移通道C.襯底材料D.像素尺寸答案：B解析：CCD通過相鄰勢阱耦合轉(zhuǎn)移電荷至輸出節(jié)點(diǎn)，CMOS每個像素集成放大器直接電壓讀出。27.（單選）InGaAs焦平面陣列在1550nm處量子效率90%，若積分時間10ms，像素面積25μm×25μm，入射輻照度1μW/cm2，則單個像素收集的光電子數(shù)約為：A.1.1×10?B.2.2×10?C.4.4×10?D.8.8×10?答案：B解析：光子能量E=hc/λ=1.28×10?1?J，入射功率P=1×10??×(25×10??)2=6.25×10?13W，光子速率4.89×10?s?1，10ms收集4.89×10?光子，量子效率90%，得4.4×10?電子，最接近B。28.（填空）商用4TAPSCMOS像素的典型轉(zhuǎn)換增益為________μV/e?（保留一位小數(shù)）。答案：1.5解析：4T結(jié)構(gòu)浮置擴(kuò)散電容約1.5fF，轉(zhuǎn)換增益q/C=1.6×10?1?/1.5×10?1?≈1.5μV/e?。29.（計算）背照式sCMOS傳感器讀出噪聲1.0e?rms，滿阱容量30000e?，求其動態(tài)范圍（單位dB，保留一位小數(shù)）。答案：89.5解析：DR=20log??(30000/1)=89.5dB。30.（簡答）說明時間延遲積分（TDI）CCD的工作原理，并給出其在高速工業(yè)檢測中的優(yōu)勢。答案：TDICCD沿電荷轉(zhuǎn)移方向與物體運(yùn)動同步，多級像素累積同一目標(biāo)信號，等效延長積分時間N倍，信噪比提高√N(yùn)，無需降低掃描速度，適合高速高靈敏度線陣成像。七、集成光子學(xué)與硅光技術(shù)31.（單選）硅波導(dǎo)220nm×500nm單模條件主要限制的因素是：A.材料吸收B.側(cè)壁粗糙度C.高階模截止D.雙光子吸收答案：C解析：尺寸過大導(dǎo)致高階模存在，需滿足單模截止條件。32.（單選）硅基調(diào)制器采用載流子色散效應(yīng)，其折射率變化Δn與載流子濃度ΔN的關(guān)系近似為：A.Δn∝ΔNB.Δn∝√ΔNC.Δn∝ΔN2D.Δn∝1/ΔN答案：A解析：Drude模型給出Δn=?(e2λ2/8π2c2ε?n)(ΔN?/m?+ΔN?/m?)，線性依賴濃度。33.（填空）硅光芯片上典型光柵耦合器對1550nm的耦合損耗約為________dB（保留一位小數(shù)）。答案：3.0解析：單面垂直耦合損耗約3dB，優(yōu)化后可達(dá)1.5dB，題目取常見值。34.（計算）硅微環(huán)諧振器半徑10μm，群折射率n_g=4.0，求其自由光譜范圍FSR（單位nm，保留兩位小數(shù)）。答案：9.60解析：FSR=λ2/(2πRn_g)=15502/(2π×10×10??×4)×10?=9.60nm。35.（簡答）對比硅光電探測器與鍺onSi探測器在1550nm的性能差異，并給出鍺外延缺陷控制的兩種方法。答案：硅為間接帶隙，1550nm吸收系數(shù)極低；鍺直接帶隙吸收系數(shù)高，但晶格失配致缺陷。方法：低溫緩沖層漸變、化學(xué)機(jī)械拋光后高溫退火、引入tensilestrain超晶格。八、光電系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)36.（單選）在激光測距中，采用飛行時間法，若時間分辨率達(dá)100ps，則距離分辨率為：A.1.5cmB.3.0cm