2019年年光電子技術思考題答案

1、20142014年光電子技術思考題答案1.已知一階躍光纖芯區(qū)和包層折射率分別為 ni=i,62,n2=1.52(a)試計算光纖的數(shù)值孔徑 NA=?(b)計算空氣中該光纖的最大入射角0M=?(c)如果將光纖浸入水中(n 水=1.33),eM=?NA=(阮一冠)=V1622-1,522=0,5604(b)%=1/而=疝”=05604a3K34“OS”(c) %=1.33稱由i i/ /= =冊-詔=560456048n=24.92”2.設階躍光纖的數(shù)值孔徑 NA=0.2，芯(半)徑 a=60um,兒=0.9um,計算光纖傳輸?shù)目偰?shù)。NAN=35092.欲設計階躍單模光纖，其芯折射率為 n=1.5

2、,=0.005,試分別計算波長為,0=1.3um 和九0=0.6328um 的最大芯(半)徑。糧據(jù)電模光纖要求歸一化頻率參量V=2.41,我們打工V-絲業(yè)一布2.412.41亢a,-pm L62/mL62/m22xl.5xV2xO.005xl.5xV2xO.005當2=1,3川H時，aj!OTt=1.307m1.307m%2d由于Rd,n。測Isin0m=訴一。+)1/2R( (7xIn7xIn =1.622-1+-xL523l/20.556一SONV10000J=白門n33,80此時,在用與冷處入射(b)子午光纖不在表面反射，即要求sin=1當入射角等于。時，井對應x二“3代入到R的表達式中

3、，我們有,Ed.d-sin+-R=21=157刖一sin%即，低157um時存在讀子午光線不在內表面反射。疝%=*_(1+,)冠產(chǎn)=1二.二1,273(d)當=9Qxd/2時出射端而全反射臨界用sin0c=-四90”_的90例比較90“一西1asin=(Z?-)/(/?-)sin=sin=牝，c221又名8血久=片cos%=COS偏=一所以cos二cos%=sin0c=900-6二4則出射端面入射角始終大全反射臨界角,則x=-d/2時，一定會發(fā)生全發(fā)射.6.已知“習題 5”中的圓柱形階躍光纖的入射端面有 a=10。傾角，出射端面仍垂直于軸線出射端面入肘向(90口-網(wǎng))3(90-加(a)試計算放

4、在空氣中光名f的最大入射角9max(b)要使max=90,該光纖的數(shù)值孔徑 NA 至少要多少？這一光線(19M=90)會不會在出射端面內發(fā)生全反射?sin0=NAcosa-nsina=0,2888樞=16.7IIIIUaUa3 3dMdMsin4心=NAcosa+n2sina=0,81641ax=54.7(b)(c)包層折射率一定，%=1，52sin900=4cos10%sin10,NX=L2834,%=L98940-aresin-=30.18L9894出射端面內出射角?！?3。8+1。2 訪康=3。8 會發(fā)生全反射sin90=NAcos10ft+&sin10”NA=07474,=1.6938

5、8、arcsin!二 36J81.6938出射端面內出射角P=-=36J8-10a:二24c=ad故衛(wèi)橫場發(fā)散角較大，一般為30-40度“輻射場發(fā)散角與諧振腔長度成反比，而激光諧振腔長度一般只有幾百微米，故其遠場發(fā)散角遠遠大于氣體及晶體激光器0P37321 .試比較同質結，SH 和 DH 激光器的工作特性，分析每種類型的優(yōu)點和缺點。22 .工作波長=8950?的 GaAsDFB 激光器，若用一級光柵，試求光柵間距為多少?.2萬A解:光柵公式;4口=096頁1L29)m一級光柵，取尸LGaAs介質的折射率”=36代入計算得：A48950AA-=2萬236=0.124/?23 .如果 GaAs 介

6、質的折射率 n=3.6,試求 GaAs 半導體激光器諧振腔端面的反射率 R。解：GaAs 半導體激光器諧振腔端面為正入射，故品=%=仁與均十為nl=n=3+6,n2=l72=31.95%24 .半導體激光器的發(fā)散角可近似為 0-sin1（%/a）,a 為有源區(qū)線度，若 d=2um,w=12um,求該激光器的發(fā)散角西口 0|的值。25 .在討論耦合問題時，可把 LED 看作朗伯型光源（即均勻的面發(fā)光體），試計算 LED 與光纖直接耦合的耦合效率。并與 LD 與光纖直接耦合的耦合效率相比較（計算時光纖的數(shù)值孔徑取 NA=0.2,LD 的發(fā)散角 0-36,9|=9）26 .利用散射中能量守恒和動量守

7、恒的關系推導布里淵頻移的表達式，并解釋單模光纖中的 SBS 多為后向散射光的原因。1）5BS過程可經(jīng)典地描述為泵浦光波（即注入光纖的信號光）、斯托克斯光波和聲波之間的參量相互作用士血.血尸中GJS根據(jù)動量守恒：根據(jù)能量守恒：叱=%+嗎由于在光纖中，5ES多為后向散射.故。=豆由于頻移很小，故可以認為：叩=1。3=2即聯(lián)立可以得到SB5頻移/三”二攵以二表面叫二2%2靠雙42)當家浦光在光纖中傳播時，其自發(fā)布電淵散射光沿泵浦光相反的方向傳播，當泵浦光的強度增大時，自發(fā)布里淵散射的強度增加，當增大到定程度時，反向傳輸?shù)乃雇锌怂构夂腿抗鈱l(fā)生干涉作用，形成駐波，使電場分布不均勻，導致密度變化。這樣

8、由于電致伸縮效應,就會產(chǎn)生一個聲波，聲波的產(chǎn)生激發(fā)出更多的布里淵散射光，激發(fā)出來的散射光乂加強聲波，如此相互作用，產(chǎn)生很強的散射，這就是受激布電淵散射(SBS)27 .在自聚焦透鏡斐索干涉儀中，若待測面 M3的振動方式為 x(t)=Asin(4t),其中 A 為振幅，塊為圓頻率，則光電探測器測得的光電信號為：V(t)=kcos(4jasin(w0t),其中 a=A/%,不為激光波長，k 為光電轉換系數(shù)。試給出一種從信號 V(t)恢復到振幅 a 的方法。解：方法一利用貝塞爾恒等式cosfsiiifot)=+2J式3)si1123f+2/式$)c。與4m將F(/F(/= =lcos(4jrlcos

9、(4jr zsn(cjzsn(cj0 0f)f)按上式展開方法二；vK(Z)=左8父4；277疝Q(qf)=此(1一8-sin:Rf):/2=左-航廿)28 .全光纖馬赫一澤德(M-Z)濾波器通常是由兩個 3dB 耦合器連接而成，如下圖所示，定向耦合器的傳輸矩陣為C=0.5),1I和 l2為中間光纖臂長，設光場從 1 端輸入，求從 3、4 端出射的光場振幅透射系數(shù)3和 T14及兩相鄰透令 A=/1/2I-J1-CIL-j-,光纖段的傳輸矩陣為exp-jk0nL0一0exp(jk0n%)_,其中 C 為耦合效率(3dB 相當于射峰之間的波長差。解：由條件知,34 端光場為:12一刀exp(一北山

10、J0exp(-7*0/i/2?則上式變?yōu)?=exp-/(/l+/2)/2-y=山|一.、，1-COS(2-/7AA/2)=/=即代必2)=、12/7A其中A=.T光纖激光器；泵浦光，光纖諧振腔，工作物質(摻雜光纖/(289 婦光纖放大器與激光器相比，沒有光纖諧振腔結構；優(yōu)勢：散熱快.損耗小,泵浦光轉化效率高，閾值低：(2)小巧靈活，可集成化：由于稀土離子的寬能級結構以及光纖基質的高可調性：輸出光可調諧,調諧范圍亦較寬.另外，還具有良好的單色性.30.利用光纖中的非線性偏振演變效應，設計出一種被動鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其系統(tǒng)如下:振控制器，試利用光纖中的偏振變化解釋這種鎖模光纖激光器的工作原理。exp(-j%，iAA/2)0ex p(冉必/2)7K_E遙Kp(jko#h+/J/2)2sin(l/?AA/2)f2cos(0nAA/2)所以海(3/2)=小吟0取匕和%分別使幾=1 和(4=1，即：2mL2JZT;AZ.1=2才p+一=27Vq設匕%,4小當取p=q時時頻率差最小，從上兩式可得29.請說明光纖激光器的結構,它與光纖放大器的不同,以及光纖激光器和光纖放大器相比于傳統(tǒng)器件有哪些優(yōu)點oPC1 和 PC2 是兩塊偏答：由隔離器出來的光