南京邮电大学光电子作业及答案(第二章)

一、名词解释（25’）1.双折射现象：2.等离子体：3.光无源器件：4.光热效应：5.光盘：二、简答题(25’)1.光的基本属性？2.什么是消逝波？3.什么叫磁光效应？4.简述光纤的基本结构？5.简述激光器的基本结构？三、论述题(20’)1.论述液晶的特点及其应用?2.论述根据什么现象可以检测出入射光的偏振态？3.论述光隔离器的基本结构与工作原理？4.论述光电子技术的发展历史？四、计算题(30’)1.He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。

如果增益曲线宽度为9105.1⨯Hz ，则可能引起的纵模总数是多少？2.设有一平面介质波导，各层折射率分别为1,1.2,21.2n 321===n n ，波导层厚度d=4.6μm 。

若总反射相移为π23，则当入射光波长为1.31μm 时，问： （1）波导中能传输的模式总数是多少？（2）要想传输单模，波导厚度应如何设计？3.PIN 光电二极管，受波长为1.55μm 的12106⨯个光子的照射，其间输出端产生12102⨯个光子，计算量子效率和响应度。

四、计算题(30’)1.He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。

如果增益曲线宽度为9105.1⨯Hz ，则可能引起的纵模总数是多少？2.某抛物线分布光纤，1n =1.5，∆=0.001，纤芯直径2a=50μm ，当用波长0λ=0.85μm 的光激励时，试求：（1）光纤的最大数值孔径;（2）光纤的截止波长。

解：（1）光纤的数值孔径067.0001.025.121=⨯⨯=∆=n NA（2）抛物线型3.某晶体在550nm 时的63γ=12105.5-⨯m/V,无外场时的主折射率为1.58，求其半波电压？。

习 题11. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。

试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

ΩΦd d e e I =， 202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。

若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。

用定义r r ee A dI L θ∆cos =和A E e e d d Φ=求解。

4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？不是热辐射。

6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长λm 随温度T 的升高而减小。

试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m ∙K 。

普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。

你知道这是按什么区分的吗？按色温区分。

习 题21. 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。

光波几乎无法通过。

根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。

2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？ l 0 SR c 第1题图L e∆A s ∆A c l 0 θs θc第2题图是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。

这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

光电⼦课后习题答案第⼀章1. 光电⼦器件按功能分为哪⼏类？每类⼤致包括哪些器件？光电⼦器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显⽰器件。

光源器件分为相⼲光源和⾮相⼲光源。

相⼲光源主要包括激光器和⾮线性光学器件等。

⾮相⼲光源包括照明光源、显⽰光源和信息处理⽤光源等。

光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。

光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。

光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。

光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。

光显⽰器件包括CRT、液晶显⽰器、等离⼦显⽰器、LED显⽰。

2．谈谈你对光电⼦技术的理解。

光电⼦技术主要研究物质中的电⼦相互作⽤及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，⼿段电⼦化，现代电⼦学中的理论模式和电⼦学处理⽅法光学化为特征，是⼀门新兴的综合性交叉学科。

⒌据你了解，继阴极射线管显⽰（CRT）之后，哪⼏类光电显⽰器件代表的技术有可能发展成为未来显⽰技术的主体？等离⼦体显⽰（PDP），液晶显⽰（LCD），场致发射显⽰（EL），LED显⽰。

第⼆章：光学基础知识与光场传播规律⒈填空题⑴光的基本属性是光具有波粒⼆象性，光粒⼦性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的⼲涉、衍射、偏振等。

⑵两束光相⼲的条件是频率相同、振动⽅向相同、相位差恒定；最典型的⼲涉装臵有杨⽒双缝⼲涉、迈克⽿孙⼲涉仪；两束光相长⼲涉的条件是(0,1,2,)m m δλ==±± ，δ为光程差。

⑶两列同频平⾯简谐波振幅分别为01E 、02E ，位相差为φ，则其⼲涉光强为22010201022cos E E E E φ++ ，两列波⼲涉相长的条件为2(0,1,2,)m m φπ==±±⑷波长λ的光经过孔径D 的⼩孔在焦距f 处的衍射爱⾥斑半径为1.22fDλ。

得分得分南京邮电大学 2014/2015学年第二学期研究生课程《 光电子学理论与技术 》试题院(系) 班级 学号 姓名装订线内不要答题自觉遵守考试规则，诚信考试，绝不作弊题号一二三四五六七八九十总分得分一、填空题（每空2分，共40分）1.光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的 吸收、发射以及光电效应。

2.EDFA发展的目标主要有两个宽带化和大功率化。

3．PDFA是掺镨光纤放大器的缩写，它的工作波长范围为1281-1381um。

4. 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。

5．激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。

6．PCM过程包括抽样、量化、编码。

7．声光互作用的两种类型为拉曼-纳斯衍射、布拉格衍射。

8．调制的类型有内调制、外调制。

9．光子与电子相比主要的优点有光子速度快、可传感多重信息。

二、证明与简述题（每题5分）1、证明如果是频率为的寻常波和频率为2的非常波的相位匹配角，则有证明:由相位匹配条件得：，则对求导，可得：，由此可得：2、什么叫声光调制?分哪几种类型?其判据是什么?。

答：声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。

按照超声波频率的高低和光波相对声场的入射角度及两者相互作用的长度，将声光衍射分为拉曼一奈斯衍射和布拉格衍射两类。

拉曼一奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光相互作用特征长度Lo来表示:。

拉曼一奈斯衍射，布拉格衍射过渡区。

得 分3、举出几个你所知道的光电子技术应用实例。

答：如:光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。

4. 对光进行外调制有哪些典型方式。

答：光外调制是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。

1.2 A 1.6 eV photon is absorbed by a valence band electron in GaAs. If the bandgap of GaAs is 1.41 eV, calculate the energy of the electron and heavy hole produced by the photon absorption. Condition:***0001.6 1.410.0670.450.058e h r eV Eg eV m m m m m m ω===== Solution: By2222***11()22e h rEg m m m ωωω-=+=We can get*22***22**()0.1642()0.0252e r c ee h r v h h m E E Eg eV m m m E E Eg eV m m ωωωω⎧-==-=⎪⎪⎨⎪-==-=⎪⎩1.4 The absorption coefficient near the bandedges of GaAs and Si are 4110cm - and 3110cm - respectively. What is the minimum thickness of a sample in each case which can absorb 90% of the incident light? Condition:3141()10()10Si cm GaAs cm αα--==Solution: By0min 0()()(190%)xI x I eI x I α-⎧=⎪⎨=-⎪⎩ We can getmin min min 00min ()0.10.11ln 0.1x x I x I e I e x ααα--==⇒=⇒=-So3min 4min () 2.310() 2.310x Si cmx GaAs cm--⎧=⨯⎪⎨=⨯⎪⎩1.8 In a GaAs sample at 300K, equal concentrations of electrons and holes areinjected. If the carrier density is n=p=1017cm -3, Calculate the electron and hole Fermi levels using the Boltzmann and Joyce-Dixon approximations.Condition:173183300,, 4.710710c v When T K for GaAs N cm N cm --==⨯=⨯Solution:Boltzmann approximation:ln 0.0402ln 0.1105nc c F B p c F v B N E E k T eV n N E E k T eVp ⎧-==⎪⎪⎨⎪-==⎪⎩Joyce-Dixon approximation:(ln 0.0383(ln 0.1103ncF B c p F v B v n E E k T eV N n E E k T eV N ⎧-=-=⎪⎪⎨⎪-=-+=⎪⎩1.12 The radiative lifetime of GaAs sample is 1.0 ns. The sample has a defect at the midgap with a capture cross-section of 10-15cm 2 . At what defect concentration does the non-radiative lifetime become equal to the radiative lifetime at i) 77K and ii) 300K?(分电子、空穴计算) Condition:**152000.0680.47 1.010n p r nr m m m m nscm ττσ-=====Solution:(1)For electrons7*277*2730013(77) 2.2710/2213(300) 4.4810/22th n th B K n th B Kth v K cm s m v k T m v k T v K cm s ⎧⎧==⨯⎪=⎪⎪⎪⇒⎨⎨⎪⎪===⨯⎪⎪⎩⎩So16316311(77) 4.4110(77)(77)11(300) 2.2310(300)(300)nr t t th nr th nr tt th nr th N K cm N v K v K N K cm N v K v K τστστστσ--⎧⎧===⨯⎪⎪⎪⎪⇒⎨⎨⎪⎪===⨯⎪⎪⎩⎩(2)For holes6*277*2730013(77)8.6310/2213(300) 1.7010/22th p th B K p th B Kth v K cm s m v k T m v k T v K cm s ⎧⎧=⨯⎪=⎪⎪⎪⇒⎨⎨⎪⎪===⨯⎪⎪⎩⎩So17316311(77) 1.1610(77)(77)11(300) 5.8810(300)(300)nr t t th nr th nr tt th nr th N K cm N v K v K N K cm N v K v K τστστστσ--⎧⎧===⨯⎪⎪⎪⎪⇒⎨⎨⎪⎪===⨯⎪⎪⎩⎩1.13 Electrons are injected into a p-type silicon sample at 300K. The e-h radiative lifetime is 1μs. The sample also has midgap traps with a cross-section of 10-15cm 2 and a density of 1016cm -3. Calculate the diffusion length for the electrons if the diffusion coefficient is 30 cm 2/s. Condition:1521632*01101030/ 1.08r t n n s cm N cm D cm s m m τμσ--===== Solution:By*2713 1.1210/22n th B th m v k T v cm s =⇒=⨯We get18.93nr t th ns N v τσ==Then1118.85rnrns ττττ=+⇒=So45.1510n L m -==⨯2.1 The bandgap of 1x x Hg Cd - alloy is given by the expression()0.3 1.9()Eg x x eV =-+Calculate the composition of an alloy which gives a cutoff wavelength of a) 10m μ b) 5.0m μ. Solution: By1.24c hc m Eg Egλμ==We get1.24 1.2410(10)0.220.3 1.91.24 1.24 5.0( 5.0)0.290.3 1.9c c c c m x m Eg xm x m Eg xλμλμλμλμ===⇒==-+===⇒==-+2.2 Calculate the cutoff wavelength for a GaAs detector. If the cutoff wavelength is to be decreased to 0.7μm, how much AlAs must be added to a GaAs? Assume that the bandgap of 1x x Ga Al As - is given by() 1.43 1.25()Eg x x eV =+ Solution: By1.24c hc m Eg Egλμ==We get1.24 1.240.7(0.7)0.271.43 1.25c c m x m Eg xλμλμ===⇒==+2.4 An optical power density of 1W/cm 2 is incident on a GaAs Sample. The photon energy is 2.0eV and there is no reflection from the surface. Calculate the excess electron-hole carrier densities at the surface and 0.5μm from the surface. The e-h recombination time is 10-8s. Condition:2418(0)1/() 2.1110 2.0010op P W cm GaAs cm w eV R s ατ--==⨯===Solution: (1)At the surface2231()(0)(0) 6.5910op L GaAs P G cm s wα--==⨯So143(0)(0)(0) 6.5910L n x p x G cm δδτ-=====⨯(2)At 0.5m μ from the surface()2(0.5)(0)0.35/GaAs xop op P x m P eW cm αμ-=== 2231()(0.5)(0.5) 2.3110op L GaAs P x m G x m cm s wαμμ--====⨯So143(0.5)(0.5)(0.5) 2.3110L n x m p x m G x m cm δμδμμτ-======⨯2.5 Assume that all the photons in an optical beam produce an electron-hole pair in a Ge detector. If all the carriers are collected calculate the responsivity for photon energies of a)0.7eV b)1.0eV c)2.0eV. Condition:1Q η= Solution: ByQ phhvR eη=We get111(0.7) 1.43( 1.0)1( 2.0)0.5Q ph Q ph Q ph e R hv eV V hv e R hv eV V hv e R hv eV V hvηηη---=========2.6 Consider a long Si p-n junction with a reverse bias of 1V at 300K. The diode has the following parameters:2173173227731213101012/8/10101010/ 1.7a d n p n p op A cm N cm N cm D cm sD cm ssscmP W cmw eVττα-----==⨯========Calculate the photocurrent in the diode. Solution: By22313.6810opL P G cm s wα--==⨯10.95n L m μ==8.94p L m μ==2ln()0.846a d B bi iN N k TV V e n == 1/202{()()}0.18r a d bi a dN N W V V m e N N εεμ+=+= So()11.8L L n p I eAG W L L A =++=2.7 Consider a long Si p-n junction solar cell with an area of 4cm 2 at 300K. The solar cell has the following parameters:17318322773101015/7.5/1010 1.0 1.25a d n p n p L N cm N cm D cm s D cm sss I Am ττ----=⨯=======Calculate the open circuit voltage of the diode. If the fill factor is 0.75,calculate the maximum power output. Solution:By1202012.258.667.1410n p n p p n p n i n p n a p d L m L mI A eD n eD p D D I A Aen L L L N L N μμ-⎧⎪==⎪⎪=⇒=⨯⎨⎪⎛⎫⎛⎫⎪=+=+ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎩ We getln(1)0.83L oc I mkTV V e I =+= And0.6225m f oc L P F V I W ==2.8 Consider the solar cell of problem 2.7.A solar system is to be developed from such cells to deliver a power of 15W at a voltage level of 5V. Calculate the total number of solar cells needed. Condition:10.830.75sc oc f I A V V F ===Solution:For each solar cell:0.870.72m sc m oc I A V V⎧==⎪⎨==⎪⎩ We can get5()[]1715()[]145mmN series V N para I =+==+=So the total number of cells()()28Tot N N series N para =⋅=2.10 Consider a silicon photoconductor at 300Kwith the following parameters:153226742101200/400/1051010100d n p n p N cm cm V scm V s ssA cmL mμμττμ----==⋅=⋅==⨯==A bias of 5V is applied to the detector. Calculate the dark current. If light falls on the detector to produce a generation rate of 1021cm -3s -1,calculate the excess concentration, the photoconductivity, and device gain. Solution:(1) The dark current0000015302530()()109.6/ 2.2510B dn p n p d d i d V I FA e n p AF e n p A Ln N cmI mA p n N cm σμμμμ--⎧==+=+⎪⎪⎪==⇒=⎨⎪==⨯⎪⎪⎩(2) The excess carrier denisty143510L p p n G cm δδτ-===⨯(3) The photoconductivity()10.128n p e n p s cm σμδμδ-∆=+=⋅(4) The device gain8(1)401.6710pp L ph Lptr n ph tr n I G I t G L t s F τμμμ-⎧==+⎪⎪⇒=⎨⎪==⨯⎪⎩2.13 Consider a GaAs p-i-n detector with an intrinsic layer width of 1.0 μm. Optical power density (photon energy 1.6eV) of 0.1W/cm 2 impinges upon the detector. The absorption coefficient for the active region is 104cm -1. Calculate the prompt photocurrent of device. The device area is 10-4cm 2. Condition:241421.0 1.60.1/1010op W m w eVP W cm cm A cm μα---=====Solution:17216(0) 3.9110 3.9510(0)[1exp()]op ph L L ph P J cm s I A I eAJ W ωα---⎧==⨯⎪⇒=⨯⎨⎪=--⎩2.14 Consider a silicon p-i-n detector in which the i layer is 10 μm thick. Calculate the maximum quantum efficiency of this detector if only light absorbed in the undoped region contributes to the photocurrent. The absorption coefficient for the active region is 103cm -1. Also calculate the minimum thickness of the i-region needed to ensure a quantum efficiency of 0.8. There are no reflection losses. Condition:3110100.80Q W mcm R μαη-====Solution: (1) By()2max 1exp 10.86412[,]W e W ηαηαα=--⎧⎪⇒=-=⎨∈⎪⎩(2) By()min min 311exp 0.816.110W W m cmηαμα-⎧=--=⎪⇒=⎨=⎪⎩2.16 An avalanche photodetector has an avalanche region of 0. 5μm and the electric field is such that αimp =βimp =104cm -1. Calculate the multiplication factor of the device. Solution:121e imp M Wα==-3.8 Consider a GaAs p-n + junction LED with the following parameters at 300K:2217316325/12/510101010n p d a n p D cm sD cm sN cm N cm ns nsττ--===⨯===Calculate the injection efficiency of the LED assuming no trap related recombination. Solution: By(1)(1)B B eVn p k Tn n eVp n k T p p eD n J e L eD p J e L ⎧=-⎪⎪⎨⎪=-⎪⎩And24326341053.46810i p n a i p n d n n cm L mN n L m p cm N μμ----⎧==⨯⎪⎧==⎪⎪⎨⎨==⎪⎪⎩==⨯⎪⎩We can get0.986n pn ninj n p p nn p n peD n J L eD n eD p J J L L γ===++3.9 The diode in Problem 3.8 is to be used to generate an optical power of 1mW. The diode area is 1 mm 2 and the radiative efficiency is 20%. Calculate the forward bias voltage required. Condition:21120%out Qr P mWA mm η===Solution:By53.54410out ph ph n nQrph QrP I wI e I A I I e ηη-=⋅⎧⋅⎪⇒==⨯⎨=⋅⎪⎩Andexp 1n p n n n B AeD n eVI J A L k T⎡⎤⎛⎫=⋅=-⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦Soln 1 1.02n p B n n AeD n k T V V e I L ⎡⎤=+≈⎢⎥⎣⎦3.12 The light from a GaAs LED is coupled into an optical fiber which has refractive indices of 1.51 and 1.47 for the core and the cladding layers. Calculate the maximum angle of acceptance for the fiber. The LED has a Lambertian(cosine) output. Calculate the coupling efficiency for the diode. Condition:121.51 1.47r r n n == Solution:1221/2122sin ()20.2sin 0.12A r r fiber A n n θηθ-=-===3.15 Consider an AlGaAs/GaAs heterojunction LED. The injection densities for electrons and holes are equal and are both 1017 cm -3 In the active GaAs region. Calculate the shift in the peak position of the emission peak energy if E g (GaAs) is 1.43eV. Calculate the shift in the peak position if the injection density is increased to 1018cm -3 . The temperature is 300K. Condition:17310 1.43n p cm Eg eV -===Solution:(1) For injection density of 17310n p cm -==0.026E kT eV ∆==111.4432p g E E E eV ≈+∆=(2) For injection density of 18310n p cm -==0.055cnE kT eV N ∆== 211.4582p g E E E eV ≈+∆=So120.015p p E E E eV ∆≈-=3.18 A heterojunction LED based on GaAs is biased at 100Acm 2 current density at 300K. The active layer of LED is 0.5μm. Calculate the cutoff frequency of the diode. Condition:21000.5J A cm d m μ=⋅=Solution: ByrdJ nev ne τ==25311.2510rnJcm s edτ--⇒==⨯⋅ From the Fig 1639910810rn cm s τ--⨯⨯So119.92c rf MHz πτ=≈3.21 A GaAs LED is to be designed with an output power of 5.0W. The maximum device area that can be allowed 100 μm 2.Estimate the thickness of the active region needed. The efficiency of the Device is 20%. The maximum injection density is 1018cm -3. Condition:21835.010020%10out Tot P W A m n cm μη-====Solution:ph rI ndAP I e ωωηηωτ===2.2rd m nAμηω==3.22 Consider a GaAs p-n + junction LED with the following parameters at 300K:110.2 3.0 2.0inj opt r nr P mWns ns γηττ=====Calculate:a) the total quantum efficiency of LED ηtotal ;b) the number of photon generated per second I ph ; c) the injected current I inj . Solution:(1) 10.40.0811rQr Tot inj Qr opt rnrτηηηηηττ==⇒==+(2) 1611610.43710 2.18510opt ph ph opt P P I s I s w w ηη--==⨯⇒==⨯⋅ (3) 8.74phinj ToteI I mA η==4.1 Consider a GaAs laser with a cavity length of 75μm. Calculate the number ofallowed longitudinal modes in an energy width 12g B E k T ± where Eg=4.43eV andT=300K. Solution:115.5102r cHz n Lν∆==⨯ 112E N h ν∆⎡⎤=+=⎢⎥∆⎣⎦4.3 Consider a Fabry-Perot cavity of length 100μm. The mirror reflectivity is 0.33 and the absorption loss in the cavity is 120cm -.Calculate the photon lifetime ph τ.The refractive index in the cavity is 3.6. Condition:11000.3320 3.6loss r L mR cm n μα-====Solution:-1ln 130.866cm Tot loss R Lαα=-=139.1710rph Tot n s cτα-==⨯4.8 Two GaAs/AlGaAs double heterostructure laser are fabricated with active region thickness of 2.0μm and 0.5μm. The optical confinement factors are 1.0 and 0.8, respectively. The carrier injection density needed to cause lasing is 1831.010cm -⨯ in the first laser and 1831.110cm -⨯ in the second laser.The radiative recombination times are 1.5ns.Calculate the threshold current densities for the two lasers. Solution:42113222 2.1310/5.8710/lasth th rlasth th rd J n eA cm d J n eA cm ττ==⨯==⨯5.1 A GaAs/AlGaAs laser has a threshold current density of 200A/cm -2. In a large signal switching, the laser is switched from zero current to 4 times the threshold current . Calculate the time delay before photon emission if the carrier lifetime is 2ns. Solution:ln()0.575d thJt ns J J τ==-5.2 A 1.55μm quantum well laser has a threshold carrier density of 2∙1012 cm -2.The radiative lifetime is 2.5ns and Auger coefficient is 10-28cm 6s -1.Calculate the time delay for a large signal switching in which the current density isswitched from 0.5J th to 3.0J th . Assume that the Auger rate can be evaluated using the carrier density n th . The active layer thickness is 10nm. Condition:12228612210 2.51010D r las n cm nsF cm s d nm τ---=⨯===Solution:1832210Dth lasn n cm d -==⨯ 21() 2.5nr th Fn ns τ-⇒==111() 1.25r nr ns τττ---⇒=+=So()ln()0.28d thJ J i t ns J J τ-==- 6.1 Condition:GaAs/AlGaAs TW amplifier1582210 1.43510410 1.0200 1.0m in dgeVA cm cm nsdng cm P mWωτ---==⨯=⨯===Calculation: saturation power P s , the gain Solution:2.86ms A P mW dg dnωτ==10148.21sg g cm P P -==+。

光电子习题及答案光电子习题及答案光电子学是研究光与电子相互作用的学科，它广泛应用于光电器件、光通信、光储存等领域。

在学习光电子学的过程中，习题是检验自己理解和掌握程度的重要方式。

下面，我们来讨论一些光电子学的习题及其答案。

1. 什么是光电效应？它与光子和电子之间的相互作用有什么关系？光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，会引起电子的发射现象。

光电效应的基本过程是光子与金属或半导体中的电子相互作用，使得电子获得足够的能量从而逃逸出材料表面。

光电效应的关键在于光子的能量必须大于或等于材料中电子的逸出功，才能引起电子的发射。

2. 什么是光电子倍增管？它的工作原理是什么？光电子倍增管是一种利用光电效应和二次发射效应来放大光信号的器件。

它由光阴极、倍增极、收集极和阳极组成。

当光照射到光阴极上时，光子与光阴极表面的电子发生光电效应，产生光电子。

这些光电子经过倍增极的二次发射作用，使得光电子的数量增加。

最后，这些光电子被收集极吸收，产生电流信号，经过放大后输出到阳极。

3. 什么是光电二极管？它与普通二极管有什么不同？光电二极管是一种利用光电效应来转换光信号为电信号的器件。

它由光阴极、势阻极和阳极组成。

当光照射到光阴极上时，光子与光阴极表面的电子发生光电效应，产生光电子。

这些光电子经过势阻极的势垒层，产生电流信号，经过放大后输出到阳极。

与普通二极管相比，光电二极管对光信号更加敏感，能够将微弱的光信号转换为电信号。

4. 什么是光通信？它的优势和应用领域有哪些？光通信是利用光信号传输信息的通信方式。

它通过光纤或自由空间传输光信号，具有大带宽、低损耗、抗干扰等优势。

光通信广泛应用于电话、互联网、电视等领域。

在长距离通信中，光通信可以实现高速、大容量的数据传输，满足现代社会对通信带宽的需求。

此外，光通信还被用于军事通信、卫星通信等领域。

5. 什么是光储存？它的原理和应用有哪些？光储存是利用光信号存储和读取信息的技术。

南京邮电大学《电工电子实验（二）》2022-2023学年的第二学期期末试卷《电工电子实验（二）》考试内容：《电工电子实验（一）》；考试时间：120分钟；满分：100分；姓名：——；班级：——；学号：——一、选择题（每题2分，共20分）1. 在进行模拟电路实验时，用于信号放大的主要元件是：A. 电阻B. 电容C. 运算放大器D. 二极管（但在此作为放大器使用时，通常与电阻等元件组合形成放大电路）2. 下列哪个实验主要用于验证数字电路中的逻辑运算规则？A. 戴维南定理实验B. 叠加定理实验C. 数字逻辑门电路实验D. 三相异步电动机启动实验3. 在示波器上调整波形垂直方向的幅度，应使用哪个旋钮？A. 扫描速度旋钮B. 垂直位移旋钮C. 垂直幅度旋钮D. 触发方式选择4. 逻辑表达式 F = A + BC 对应的门电路组合是：A. 与门和或门B. 或门和非门C. 与门、或门和非门的组合D. 仅需要或门5. 三相电源中，线电压与相电压的关系是（在星形连接且平衡负载情况下）：A. 线电压等于相电压B. 线电压等于相电压的√3倍C. 线电压等于相电压的一半D. 线电压与相电压无关6. 使用数字万用表测量电阻时，若选择量程过大，可能导致的后果是：A. 测量值偏大且不准确B. 测量值偏小且不准确C. 万用表损坏D. 无影响，只是读数可能较慢7. 下列哪个不是常用的模拟信号处理方法？A. 滤波B. 放大C. 采样D. 调制8. 在进行半导体二极管正向导通压降测量时，应给二极管施加：A. 正向高电压B. 正向低电压C. 反向电压D. 任意电压9. 555定时器构成的多谐振荡器电路中，用于控制振荡频率的主要元件是：A. 电阻B. 电容C. 电阻和电容的组合D. 运算放大器10. 在数字电路实验中，若要实现一个四输入的逻辑与（AND）功能，最少需要的基本逻辑门是：A. 1个B. 2个C. 3个D. 4个。

二、填空题（每空2分，共20分）1. 在模拟电路实验中，常用_______来表示电路中的非线性元件，如二极管和晶体管。

习题：一．填空题1. 半导体的导电能力与温度、光照强度、掺杂浓度和材料性质有关。

2. 利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二级管，利用PN结的光敏性可制成光敏（光电）二级管。

3.在本征半导体中加入＿＿5价＿＿元素可形成N型半导体，加入＿3价＿元素可形成P型半导体。

N型半导体中的多子是_自由电子_______；P型半导体中的多子是___空穴____。

4. PN结外加正向电压时导通外加反向电压时截止这种特性称为PN结的单向导电性。

5. 通常情况下硅材料二极管的正向导通电压为0.7v ，锗材料二极管的正向导通电压为0.2v 。

6..理想二极管正向电阻为__0______，反向电阻为_______，这两种状态相当于一个___开关____。

7..晶体管的三个工作区分别为放大区、截止区和饱和区。

8.. 稳压二极管是利用PN结的反向击穿特性特性制作的。

9.. 三极管从结构上看可以分成 PNP 和 NPN 两种类型。

10. 晶体三极管工作时有自由电子和空穴两种载流子参与导电，因此三极管又称为双极型晶体管。

11.设晶体管的压降U CE不变，基极电流为20μA时，集电极电流等于2mA，则β=__100__。

12. 场效应管可分为绝缘栅效应管和结型两大类，目前广泛应用的绝缘栅效应管是MOS管，按其工作方式分可分为耗尽型和增强型两大类，每一类中又分为N沟道和P沟道两种。

13. 查阅电子器件手册，了解下列常用三极管的极限参数，并记录填写题表2-1在下表中题表2-1二．选择题1.杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 A 。

A、杂质浓度B、温度C、输入D、电压2.理想二极管加正向电压时可视为 B ，加反向电压时可视为＿＿A＿＿。

A.开路B.短路C.不能确定3.稳压管的稳压区是二极管工作在＿＿D＿＿状态。

A.正向导通B.反向截止C.反向导通D.反向击穿4.当温度升高时，二极管的反向饱和电流将＿＿A＿＿。

光电子学_南京邮电大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.Photogeneration occurs in the neutral region. The electron has to diffuse tothe depletion layer and then roll down the energy hill i.e. drift across the SCL.参考答案:正确2.Photogeneration inside the LED generates an electron and a hole.参考答案:错误3.The fifth valence electron can be readily freed by thermal vibrations of the Silattice.参考答案:正确4.The area under pE(E) versus E is not the hole concentration.参考答案:错误5.vdh = Drift velocity of the holes参考答案:正确6.Wavelengths greater than roughly lg are not absorbed (by band-to bandtransitions).参考答案:正确7.When it moves a distance dx, work must be done by the external circuit. Intime dt, the electron drifts a distance dx and does an amount of work eEdx 参考答案:正确8.The electron is notacted on by the forceeEof the electric field.参考答案:错误9.The cavity in Vertical Cavity Surface Emitting Lasers is not vertical.参考答案:错误10.External photocurrent due to the motion of this photogenerated electron isie(t).参考答案:正确11.If EF is close to the conduction band (CB) edge, Ec, it results in an n-type, andif it is close to the valence band (VB) edge, Ev, it results in a p-typesemiconductor.参考答案:正确12.An electron and hole pair (EHP) is photogenerated at x = y. The electron andthe hole drift in opposite directions with drift velocities vh and ve参考答案:错误13.An open circuit pn junction under illumination generates an open circuitvoltage Voc.参考答案:正确14.The pn junction in open circuit. The photogenerated electron and hole rolldown their energy hills (drift) but there is a voltage Voc across the diode that causes them diffuse back so that the net current is zero.参考答案:正确15.Light from an optical fiber is coupled into the active region of the laserstructure. As the radiation propagates through the active layer, opticallyguided by this layer, it becomes amplified by the induced stimulatedemissions, and leaves the optical cavity with a higher intensity.参考答案:正确16.Traveling wave (TW) semiconductor optical amplifier: The ends of theoptical cavity have antireflection (AR) coatings so that the optical cavity does not act as an efficient optical resonator, a condition for laser-oscillations.参考答案:正确17.The cross section of Vertical Cavity Surface Emitting Lasers is circular.参考答案:正确18.The mode field diameter is normally larger than the active layer thicknessand the radiation spreads into the guiding layer.参考答案:正确19.Partially reflected waves at the corrugations can only constitute a reflectedwave when the wavelength satisfies the Bragg condition.参考答案:正确20.Rate of electron injection by current I = Rate of spontaneous emissions - Rateof stimulated emissions参考答案:错误21.When the laser is in a steady state, Rate of coherent photon loss in thecavity= Rate of stimulated emissions参考答案:正确22.Power Conversion Efficiency=Optical output power / Electric input power参考答案:正确23.Extraction efficiency = (Total loss)/(Loss from the exit cavity end)参考答案:错误24.The width of the CB is called the electron affinity χ.参考答案:正确25.The interactions between the Si atoms and their valence electrons result inthe electron energy in the crystal falling into two distinct energy bands called the valence band (VB) and conductions band (CB).参考答案:正确26.At sufficiently high diode currents corresponding to high optical power, theoperation becomes single mode.参考答案:正确27.In LED, most of the light is in the active region.错误28.In multiple quantum well (MQW) heterostructure laser diode, electrons areinjected by the forward current into quantum wells.参考答案:正确29.The density of sates g(E) is a step-like function, and is finite at E1 and E1¢.参考答案:正确30. A buried heterostructure laser diode for telecom applications: The activelayer (InGaAsP) is surrounded by the wider bandgap, lower refractive index InP material. Layers are grown on an InP substrate.参考答案:正确31. A double heterostructure semiconductor laser device has its active regionburied within the device in such a way that it is surrounded by low refractive index materials rendering the active region as a waveguide.参考答案:正确32.Robert Hall and his colleagues, while working at General Electric's Researchand Development Center in New York, were among the first groups ofresearchers to report a working semiconductor laser diode in 1962.正确33.In semiconductor laser diode, band diagram does not need a sufficiently largeforward bias to cause population inversion and hence stimulated emission.参考答案:错误34. A random photon (from spontaneous decay) of energy hu21 = E2 - E1 can notinitiate stimulated emission.参考答案:错误35.As the states at E2 are long-lived, they quickly become populated and there isa population inversion between E2 and E1.参考答案:正确36.Ions at E3 rapidly decay to the long-lived state at the energy level E2 byemitting lattice vibrations (phonons).参考答案:正确37.Many phosphors are based on activators doped into a host matrix.参考答案:正确38.Light could not be coupled from a surface emitting LED into a multimodefiber using an index matching epoxy.参考答案:错误39.Impact of an energetic conduction electron with crystal vibrations transfersthe electron's kinetic energy to a valence electron and thereby excites it to the conduction band.参考答案:正确40.An RCLED is an LED with an optical resonant cavity (RC) formed by twoDBRs has a narrower emission spectrum.参考答案:正确41.Recombination around the junction and within the diffusion length of theelectrons in the p-side leads to spontaneous photon emission.参考答案:正确42.The most useless property of EF is in terms of a change in EF.参考答案:错误43.Eg=Ev-Ec参考答案:错误44.The electrons at a particular energy level also have kinetic energies in the yzplane, which is not quantized.参考答案:正确45.Potential energy is charge* potential = q V参考答案:正确46.An electron in the n-side at Ec must overcome a potential energy (PE) barrierto go over to Ec in the p-side. This PE barrier is eVo where Vo is the built-in potential, i.e., the maximum extent Ec has been bent to line up the Fermilevels.参考答案:正确47.The EHP recombination that occurs in the SCL and the neutral regions in thisGaAs pn junction case would result in photon emission, with a photon energy that is approximately Eg. This direct recombination of injected minoritycarriers and the resulting emission of photons represent the principle ofoperation of the Light Emitting Diode (LED).参考答案:正确48.The increase dV results in an increase dI in the diode current. The dynamic orincremental resistance is rd = dV/dI.参考答案:正确49.In a Ge pn junction, above 238 K, Irev is controlled by ni2 and below 238 K itis controlled by ni.参考答案:正确50.Ec = Fermi energy,EF =Conduction band edge参考答案:错误51.n a degenerate semiconductor, one cannot assume that n=Nd or p=Na, as thedopant concentration is so large that they interact with each other. Not alldopants are able to become ionized. The saturation is typically around 1020 cm-3.参考答案:正确52.Na <参考答案:错误53.At room temperature the thermal vibrations of the lattice can free the holeaway from the B- site.参考答案:正确54.There are acceptor energy levels just above Ev around B- sites. Theseacceptor levels accept electrons from the VB and therefore create holes in the VB.参考答案:正确55.The conductivity of a semiconductor depends on both electrons and holes asboth contribute to charge transport.参考答案:正确56.mh =Drift velocity of the holes参考答案:错误57.The product g(E)f(E) is the number of electrons per unit energy per unitvolume or electron concentration per unit energy.参考答案:正确58.The photogenerated electron has to diffuse to the depletion region where it isswept into the i-layer and drifted across.参考答案:正确59.Nd <参考答案:错误60. A reverse biased pin photodiode is not illuminated with a short wavelengthlight pulse that is absorbed very near the surface.参考答案:错误61.Impact ionization processes releasing EHPs and the resulting avalanchemultiplication.参考答案:正确62. d = L/a = penetration or absorption depth参考答案:错误。

《光电子技术》章节练习题及答案第一章一、填空题1、色温是指 在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。

其并非热辐射光源本身的温度。

2、自发跃迁是指 处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光子的过程 。

受激跃迁是指 处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。

3、受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要 自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽 ，非均匀展宽主要有 多普勒展宽与残余应力展宽。

4、常见的固体激光器有 红宝石激光器、钕激光器或钛宝石激光器 （写出两种），常见的气体激光器有 He-Ne 激光器、CO 2激光器或Ar +激光器 （写出两种）。

5、光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有 能量、动量和质量；其静止质量为 0 。

6、激光与普通光源相比具有如下明显的特点： 方向性好、单色性好、相干性好，强度大 。

7、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其辐射强度为100/4π W/sr 。

8、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在1m远处形成的辐射照度为 100/4π W/m 2。

9、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在2m远处形成的辐射照度为100/16π W/m 2。

二、解答题1、简述光子的基本特性（10分）[答]：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。

它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：（1）ων ==h E ；（2）22ch c E m ν==，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3）k P =；（4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。

2、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。

南京邮电大学光电信息物理基础答案1、32．体积和质量都相同的铝球、铁球和铜球，已知ρ铜＞ρ铁＞ρ铝，则下列说法中正确的是（）[单选题] *A．铝球可能是实心的，而铁球和铜球一定是空心的(正确答案)B．铝球可能是空心的，而铁球和铜球是实心的C．铜球可能是实心的，铁球和铝球也是实心的D．铜球可能是空心的，铁球和铝球是实心的2、用撒铁屑的方法可以判断条形磁铁N极位置[判断题] *对错(正确答案)答案解析：铁屑可以判断磁极的位置，但是无法判断具体是S极还是N极，利用小磁针可以判断具体的S极和N极3、23．三个质量相等的实心球，分别由铝、铁、铜制成，分别放在三个大小相同的空水杯中，再向三个空水杯中倒满水（物体都能浸没，水没有溢出，ρ铝＜ρ铁＜ρ铜），则倒入水的质量最多的是（）[单选题] *A．铝球B．铁球C．铜球(正确答案)D．无法判断4、7．舞龙舞狮是我国民间的传统习俗，舞龙舞狮过程中，往往用敲锣和击鼓来助兴，下列说法正确的是（）[单选题] *A．锣鼓声响起时远近不同的观众都能听到，说明声音传播不需要时间B．越用力敲击锣面，锣面振动幅度会越大，发出声音的音调越高C．人们能区分锣声和鼓声，主要是它们的音色不同(正确答案)D．围观的一些小孩捂住耳朵，是为了在传播过程中减弱噪声5、中国科技馆里有一个“声聚焦”装置，它是一个像锅盖形状的凹形圆盘。

当小明将耳朵靠近固定装置的中心时，远处传来的微小声音就变大了，这是因为声聚焦装置使远处传来的声音在其表面发生了反射聚焦，结果改变了声音的（）[单选题]A.响度(正确答案)B.音调C.音色D.频率6、夏天从冰箱里取出的可乐瓶上有小液滴，是可乐瓶周围的空气液化形成的[判断题]*对错(正确答案)答案解析：是周围的水蒸气液化形成的7、行驶的汽车关闭发动机后还能行驶一段距离是因为汽车受到惯性力作用[判断题] *对错(正确答案)答案解析：汽车具有惯性8、20．小英家的外墙上固定着一根还在使用的铁质自来水管，水管长21米，小英和弟弟分别站在自来水管的两侧，弟弟用小铁锤敲了一下自来水管，小英听到的响声次数为（）[单选题] *A．1次(正确答案)B．2次C．3次D．4次9、46．把一个实心铁块放入盛满水的容器中，溢出水的质量是5g，若把铁块放入盛满酒精的容器中，则溢出酒精的质量是（）（ρ酒精＝8×103kg/m3，ρ水＝0×103kg/m3）[单选题] *A．5gB．5gC．4g(正确答案)D．36g10、15．下列有关托盘天平的使用说法正确的是（）[单选题] *A．称量前，应估计被测物体的质量，以免超过量程(正确答案)B．称量前，应调节平衡螺母或移动游码使天平平衡C．称量时，左盘放砝码，右盘放物体D．称量时，向右移动游码，相当于向左盘加砝码11、光线与平面镜成30°角入射到平面镜上，则反射角为30°[判断题] *对错(正确答案)答案解析：反射角是反射光线跟法线的夹角，反射角为60°12、2．物体的加速度a＝0，则物体一定处于静止状态．[判断题] *对错(正确答案)13、自行车是很普及的代步工具，不论它的品牌如何，从自行车的结构和使用上来看，它涉及许多物理知识，判断下列说法的正误：1．自行车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车处均刻有花纹，并且都使用动摩擦因数大的材料，从而增大摩擦力．[判断题] *对(正确答案)错14、1．天津开往德州的K213次列车于13点35分从天津发车，13点35分指时间间隔．[判断题] *对错(正确答案)15、其原因错误的是（）*A.使用的用电器总功率过大B.电路中有断路(正确答案)C.开关接触不良(正确答案)D.电路的总电阻过大(正确答案)16、假如人们已研制出常温下的超导体，则可以用它制作电炉子的电阻丝[判断题] *对错(正确答案)答案解析：电炉丝利用电流的热效应，需要有电阻，不能用超导体。