2026年光電子技術(shù)研究生入學(xué)考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在硅基光子集成芯片中，為實(shí)現(xiàn)1.55μm波段的高效光耦合，最常采用的模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)是A.倒錐形波導(dǎo)B.布拉格光柵C.多模干涉耦合器D.方向耦合器答案：A解析：倒錐形波導(dǎo)通過絕熱拉錐將模場直徑由亞微米擴(kuò)展到3–5μm，與單模光纖模場匹配，理論插損可低于0.5dB，遠(yuǎn)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。2.當(dāng)InGaAs/InPPIN光電探測器工作在1550nm、反向偏壓5V時(shí)，其3dB帶寬主要受限于A.載流子渡越時(shí)間B.RC時(shí)間常數(shù)C.光學(xué)吸收長度D.暗電流噪聲答案：B解析：高速InGaAs/InP器件吸收區(qū)厚度僅0.5–1μm，渡越時(shí)間<5ps；而50Ω負(fù)載下器件電容0.2pF對(duì)應(yīng)的RC常數(shù)約10ps，成為瓶頸。3.硅基MOS型光調(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∝ΔN^(1/2)B.Δn∝ΔNC.Δn∝ΔN^(2/3)D.Δn∝ΔN2答案：B解析：硅在1.55μm的自由載流子色散滿足Δn=?(e2λ2/8π2c2ε?n)(ΔN?/m?+ΔN?/m?)，線性依賴于載流子濃度變化。4.在LiNbO?馬赫-曾德爾調(diào)制器中，半波電壓Vπ與電極長度L的關(guān)系為A.Vπ∝LB.Vπ∝1/LC.Vπ∝L2D.Vπ與L無關(guān)答案：B解析：Vπ=λd/(n3γ??LΓ)，行波電極結(jié)構(gòu)下，增大L可降低Vπ，實(shí)現(xiàn)低壓驅(qū)動(dòng)。5.對(duì)于GaAs/AlGaAs量子阱激光器，溫度升高導(dǎo)致閾值電流增大的主要機(jī)制是A.俄歇復(fù)合增強(qiáng)B.增益譜紅移C.載流子泄漏增加D.光學(xué)限制因子下降答案：C解析：溫度升高使電子溢出量子阱的勢(shì)壘高度相對(duì)降低，載流子泄漏電流指數(shù)上升，成為GaAs基長波長器件主因。6.在相干光通信接收機(jī)中，本振激光器線寬Δν與DSP載波恢復(fù)算法的關(guān)系是A.Δν越大，所需導(dǎo)頻開銷越小B.Δν越大，相位噪聲容忍度越高C.Δν越大，所需卡爾曼濾波階數(shù)越高D.Δν與算法無關(guān)答案：C解析：線寬引入的相位噪聲功率譜密度與Δν成正比，高階卡爾曼濾波或最大似然估計(jì)需增加狀態(tài)變量以跟蹤快速相位波動(dòng)。7.硅基片上光頻梳最常用的微腔品質(zhì)因數(shù)Q值范圍是A.103B.10?C.10?D.10?答案：C解析：高Q微腔（Q≈1×10?）使泵浦閾值低至數(shù)毫瓦，且FSR≈100GHz，便于與標(biāo)準(zhǔn)WDM信道間隔匹配。8.在可見光通信中，采用OFDM調(diào)制時(shí)，LED非線性失真最顯著的子載波位于A.低頻子載波B.中間子載波C.高頻子載波D.直流子載波答案：C解析：LED調(diào)制帶寬有限，高頻響應(yīng)衰減導(dǎo)致子載波信號(hào)需更高電域預(yù)加重，易進(jìn)入非線性區(qū)。9.硅光芯片中利用應(yīng)力工程打破晶體對(duì)稱性，主要目的是A.提高熱導(dǎo)率B.實(shí)現(xiàn)二階非線性效應(yīng)C.降低傳播損耗D.抑制雙光子吸收答案：B解析：應(yīng)力誘導(dǎo)晶格畸變產(chǎn)生非零χ?2?，可在硅中實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制與倍頻，突破中心對(duì)稱限制。10.在InP基單片集成激光器與調(diào)制器中，采用電吸收調(diào)制器（EAM）而非MZM的主要考量是A.EAM插入損耗更低B.EAM啁啾更小C.EAM驅(qū)動(dòng)電壓更低D.EAM工藝更簡單答案：C解析：EAM基于量子限制Stark效應(yīng)，1V即可實(shí)現(xiàn)10dB消光比，而MZM需2–3V，利于降低驅(qū)動(dòng)功耗。二、填空題（每空2分，共20分）11.硅基光波導(dǎo)在1550nm的群折射率n_g≈______，對(duì)應(yīng)的單模條件為波導(dǎo)寬度w<______μm。答案：3.8；0.45解析：n_g=n_eff?λ(dn_eff/dλ)，典型220nm厚SOI條形波導(dǎo)n_g≈3.8；單模截止寬度由歸一化頻率V≤2.405決定。12.對(duì)于InGaAsP/InP多量子阱激光器，增益峰值波長隨溫度紅移速率約為______nm/K。答案：0.5解析：帶隙溫度系數(shù)dEg/dT≈?0.3meV/K，換算波長dλ/dT≈λ2/(hc)·dEg/dT≈0.5nm/K。13.硅基微環(huán)調(diào)制器品質(zhì)因數(shù)Q=1×10?，環(huán)長L=60μm，群折射率n_g=4，則3dB光學(xué)帶寬為______GHz。答案：1.3解析：Δf=c/(n_gLQ)=3×10?/(4×60×10??×1×10?)≈1.3GHz。14.在相干接收機(jī)中，采用4×490°混頻器時(shí)，本振光功率需比信號(hào)光高_(dá)_____dB，以保證混頻效率>90%。答案：10解析：混頻效率η∝√(P_LOP_S)，當(dāng)P_LO/P_S=10時(shí)，η達(dá)95%，繼續(xù)增加收益遞減。15.硅基片上光開關(guān)采用載流子注入型PIN結(jié)，載流子壽命τ=1ns，則開關(guān)速率理論上限為______Gb/s。答案：1解析：開關(guān)時(shí)間≈2.2τ，對(duì)應(yīng)帶寬f_3dB≈0.35/τ=0.35GHz，故碼率上限約1Gb/s。16.在LiDAR系統(tǒng)中，采用1550nm波長的人眼安全閾值是______mJ/cm2，對(duì)應(yīng)脈寬10ns。答案：100解析：IEC60825-1規(guī)定，1550nm波長、10ns脈寬下最大允許曝光量MPE=100mJ/cm2。17.硅基片上光柵耦合器耦合損耗為3dB，若輸入光功率0dBm，則進(jìn)入單模波導(dǎo)的功率為______dBm。答案：?3解析：耦合損耗即輸入與輸出光功率比，3dB對(duì)應(yīng)50%效率。18.硅基光電探測器采用Ge外延層，臨界厚度受Matthews-Blakeslee模型限制，當(dāng)失配度f=1%，臨界厚度約______nm。答案：100解析：h_c≈b(1?νcos2α)/[2πf(1+ν)ln(h_c/b+1)]，取b=0.4nm，ν=0.28，得h_c≈100nm。19.在硅基微環(huán)傳感器中，折射率靈敏度S=100nm/RIU，環(huán)Q=1×10?，則最小可探測折射率變化為______RIU。答案：1×10??解析：δn_min=λ/(Q·S)=1550nm/(1×10?×100nm/RIU)=1.55×10??，考慮信噪比提升一個(gè)量級(jí)，取1×10??。20.采用硅基二維光相控陣實(shí)現(xiàn)光束掃描，陣元間距d=2μm，波長1550nm，則最大掃描角θ_max=______°。答案：50解析：sinθ_max=λ/(2d)=1.55/4≈0.387，θ_max≈22.8°；若采用稀疏陣與柵瓣抑制算法，實(shí)際可達(dá)50°。三、簡答題（每題10分，共30分）21.闡述硅基片上光頻梳的產(chǎn)生機(jī)制，并比較三階非線性（Kerr）與電光調(diào)制（EO）兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。答案：硅基光頻梳產(chǎn)生機(jī)制主要依賴微腔高Q值累積光場，誘發(fā)強(qiáng)三階非線性效應(yīng)。當(dāng)泵浦光功率超過參量振蕩閾值時(shí)，四波混頻（FWM）將能量向等頻率間隔邊帶轉(zhuǎn)移，形成等距梳齒。Kerr方案：優(yōu)點(diǎn)：1.無需電極，片上損耗低，梳齒線寬<100kHz；2.重復(fù)頻率f_rep由微腔FSR決定，可達(dá)100GHz以上，適合高速通信；3.與CMOS兼容，可大規(guī)模集成。缺點(diǎn)：1.閾值功率高（>50mW），需片上摻鉺或III-V增益；2.對(duì)溫度漂移敏感，需主動(dòng)反饋；3.梳齒功率不均勻，需額外譜整形。EO方案：優(yōu)點(diǎn)：1.通過電光調(diào)制器級(jí)聯(lián)，可在低光功率下產(chǎn)生平坦梳齒；2.重復(fù)頻率由射頻源精確控制，可調(diào)范圍大；3.每齒相位相干，適合相干通信與光譜學(xué)。缺點(diǎn)：1.需高速射頻驅(qū)動(dòng)（>30GHz），功耗高；2.調(diào)制器引入插入損耗（>10dB），需光放大；3.硅中心對(duì)稱，需應(yīng)力或異質(zhì)集成BaTiO?等材料實(shí)現(xiàn)χ?2?，工藝復(fù)雜。綜上，Kerr方案適合超低噪聲、固定間隔應(yīng)用；EO方案適合可調(diào)、平坦譜需求，但功耗與工藝挑戰(zhàn)更大。22.說明相干光通信中數(shù)字信號(hào)處理（DSP）流程，并給出載波相位恢復(fù)算法的數(shù)學(xué)模型與實(shí)現(xiàn)步驟。答案：DSP流程：1.正交化與歸一化：將4×4混頻器輸出的四路信號(hào)構(gòu)建復(fù)數(shù)場E_x、E_y；2.時(shí)鐘恢復(fù)：采用Gardner或平方律算法提取最佳采樣點(diǎn)；3.色散補(bǔ)償：用頻域乘法實(shí)現(xiàn)，H(f)=exp(?jβ?(2πf)2L/2)；4.偏振解復(fù)用：采用恒模算法（CMA）或決策導(dǎo)向最小均方（DD-LMS）分離偏振態(tài)；5.載波相位恢復(fù)：估計(jì)并去除激光器相位噪聲；6.符號(hào)判決與解碼：QPSK/16QAM解映射，LDPC譯碼。載波相位恢復(fù)算法（盲相位搜索，BPS）：數(shù)學(xué)模型：接收符號(hào)r_k=s_ke^{jθ_k}+n_k，θ_k為相位噪聲。步驟：1.對(duì)每符號(hào)r_k，生成B個(gè)測試相位θ_b=bπ/B，b=0,…,B?1；2.計(jì)算旋轉(zhuǎn)后符號(hào)s?_k,b=r_ke^{?jθ_b}；3.尋找最小歐氏距離：b?=argmin|s?_k,b?s?_k|2，s?_k為最近星座點(diǎn)；4.平均相鄰N個(gè)符號(hào)得估計(jì)θ?_k=angle(Σr_k*s?_k)；5.反饋補(bǔ)償r_k'=r_ke^{?jθ?_k}。復(fù)雜度：B·N次乘法，典型B=32，N=20，可在FPGA實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。23.論述硅基光電探測器中Ge/Si異質(zhì)結(jié)暗電流的物理來源，并給出降低暗電流的三項(xiàng)工藝措施。答案：暗電流來源：1.體缺陷：Ge外延層中的螺位錯(cuò)、失配位錯(cuò)作為復(fù)合中心，產(chǎn)生Shockley-Read-Hall（SRH）電流；2.界面態(tài)：Ge/Si價(jià)帶偏移0.7eV，界面缺陷導(dǎo)致隧穿輔助復(fù)合；3.鏡像力降低勢(shì)壘：強(qiáng)電場下肖特基效應(yīng)使電子發(fā)射勢(shì)壘降低，增加場致發(fā)射；4.帶間隧穿：高摻雜pn結(jié)耗盡區(qū)窄，直接隧穿貢獻(xiàn)額外電流。降低措施：1.低溫Ge緩沖層：兩步生長法，先在350°C低溫生長薄Ge籽晶，再升溫至600°C外延，使位錯(cuò)密度從1×10?cm?2降至5×10?cm?2；2.原位摻雜漸變：在Ge/Si界面引入0.1μm厚SiGe緩沖，梯度改變晶格常數(shù)，減少界面失配；3.表面鈍化：采用NH?等離子體處理，降低Ge表面懸掛鍵密度，使界面態(tài)密度Dit<1×1011cm?2eV?1；4.深槽隔離：刻蝕深至埋氧層的溝槽，填充SiO?，抑制側(cè)壁漏電；5.低溫退火：400°C快速熱退火，激活摻雜同時(shí)抑制位錯(cuò)滑移。實(shí)驗(yàn)表明，上述措施可將暗電流密度從1mA/cm2降至10μA/cm2，滿足接收靈敏度要求。四、計(jì)算題（每題15分，共30分）24.一單模硅基微環(huán)調(diào)制器，環(huán)長L=80μm，波導(dǎo)損耗α=2dB/cm，耦合系數(shù)κ2=0.05，群折射率n_g=4，工作波長1550nm。(1)求本征品質(zhì)因數(shù)Q?；(2)求加載品質(zhì)因數(shù)Q_L；(3)若載流子注入引起折射率變化Δn=?1×10?3，求諧振波長漂移Δλ；(4)若調(diào)制深度要求消光比ER=7dB，求所需Δn最小值。答案：(1)本征損耗α_int=2dB/cm=0.46cm?1，場衰減系數(shù)α_field=α_int/2=0.23cm?1；本征Q?=ωn_g/(cα_field)=2π×1.93×101?×4/(3×10?×0.23×100)=7.0×10?。(2)耦合損耗α_couple=?ln(1?κ2)/L=?ln(0.95)/(80×10??)=0.64cm?1；總損耗α_total=α_field+α_couple=0.87cm?1；Q_L=ωn_g/(cα_total)=2π×1.93×101?×4/(3×10?×0.87×100)=1.9×10?。(3)諧振條件λ=mL/n_eff，Δλ=λ·Δn/n_eff=1550×(?1×10?3)/2.4=?0.65nm。(4)ER=10log??[(T_max?T_min)/T_min]，臨界耦合下T_min=0，T_max=1，ER=7dB對(duì)應(yīng)T_min/T_max=0.2；透射譜T(λ)=1?(1?r2)2/[(1?r2)2+4r2sin2(πΔλ/FSR)]，令T_min=0.2，解得Δλ/FSR=0.1；FSR=λ2/(n_gL)=15502/(4×80×10?3)=7.5nm；Δλ=0.1×7.5=0.75nm；Δn_min=Δλ·n_eff/λ=0.75×2.4/1550=1.16×10?3。25.一InGaAs/InP雪崩光電二極管（APD）工作在1550nm，倍增層厚度w=0.5μm，電子電離系數(shù)α=3×10?cm?1，空穴電離系數(shù)β=1×10?cm?1，工作偏壓下電場E=5×10?V/cm。(1)求電子注入時(shí)的雪崩增益M；(2)求過剩噪聲因子F；(3)若接收光功率P=?30dBm，量子效率η=0.9，負(fù)載R_L=50Ω，帶寬B=10GHz，求輸出信噪比SNR（忽略熱噪聲，僅考慮散粒噪聲）。答案：(1)雪崩增益M=exp(αw)=exp(3×10?×0.5×10??)=exp(15)≈3.3×10?，實(shí)際受空間電荷效應(yīng)限制，實(shí)驗(yàn)值約M=10。(2)電離系數(shù)比k=β/α=0.33；過剩噪聲因子F=kM+(2?1/M)(1?k)≈kM+2(1?k)=0.33×10+2×0.67=4.6。(3)光生電流I_p=ηqP/(hν)=0.9×1.6×10?1?×1×10?3/(1.28×10?1?)=1.1mA；倍增后信號(hào)電流I_s=MI_p=10×1.1=11mA；散粒噪聲電流譜密度S_i=2qI_pM2F=2×1.6×10?1?×1.1×10?3×100×4.6=1.6×10?1?A2/Hz；噪聲功率P_n=S_i·B·R_L=1.6×10?1?×10×10?×50=8×10??W；信號(hào)功率P_s=I_s2R_L=(11×10?3)2×50=6.1×10?3W；SNR=P_s/P_n=7.6×10?，即48.8dB。五、綜合設(shè)計(jì)題（30分）26.設(shè)計(jì)一款基于硅基微環(huán)陣列的集成光譜儀，要求：1.光譜范圍1520–1580nm；2.分辨率≤0.1nm；3.總芯片面積≤2mm×2mm；4.輸入耦合損耗≤3dB；5.可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容。請(qǐng)給出：(1)器件結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理；(2)微環(huán)參數(shù)（半徑、FSR、Q值、耦合系數(shù)）計(jì)算；(3)讀出電路方案（波長校準(zhǔn)、功率檢測、數(shù)字接口）；(4)工藝實(shí)現(xiàn)流程（關(guān)鍵步驟與掩膜層）；(5)性能仿真結(jié)果（透射譜、串?dāng)_、分辨率驗(yàn)證）。答案：(1)結(jié)構(gòu)：采用16級(jí)聯(lián)微環(huán)，半