2019年年光电子技术思考题答案

1、20142014年光电子技术思考题答案1.已知一阶跃光纤芯区和包层折射率分别为 ni=i,62,n2=1.52(a)试计算光纤的数值孔径 NA=?(b)计算空气中该光纤的最大入射角0M=?(c)如果将光纤浸入水中(n 水=1.33),eM=?NA=(阮一冠)=V1622-1,522=0,5604(b)%=1/而=疝”=05604a3K34“OS”(c) %=1.33称由i i/ /= =册-诏=560456048n=24.92”2.设阶跃光纤的数值孔径 NA=0.2，芯(半)径 a=60um,儿=0.9um,计算光纤传输的总模数。NAN=35092.欲设计阶跃单模光纤，其芯折射率为 n=1.5

2、,=0.005,试分别计算波长为,0=1.3um 和九0=0.6328um 的最大芯(半)径。粮据电模光纤要求归一化频率参量V=2.41,我们打工V-丝业一布2.412.41亢a,-pm L62/mL62/m22xl.5xV2xO.005xl.5xV2xO.005当2=1,3川H时，aj!OTt=1.307m1.307m%2d由于Rd,n。测Isin0m=诉一。+)1/2R( (7xIn7xIn =1.622-1+-xL523l/20.556一SONV10000J=白门n33,80此时,在用与冷处入射(b)子午光纤不在表面反射，即要求sin=1当入射角等于。时，井对应x二“3代入到R的表达式中

3、，我们有,Ed.d-sin+-R=21=157刖一sin%即，低157um时存在读子午光线不在内表面反射。疝%=*_(1+,)冠产=1二.二1,273(d)当=9Qxd/2时出射端而全反射临界用sin0c=-四90”_的90例比较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则出射端面入射角始终大全反射临界角,则x=-d/2时，一定会发生全发射.6.已知“习题 5”中的圆柱形阶跃光纤的入射端面有 a=10。倾角，出射端面仍垂直于轴线出射端面入肘向(90口-网)3(90-加(a)试计算放

4、在空气中光名f的最大入射角9max(b)要使max=90,该光纤的数值孔径 NA 至少要多少？这一光线(19M=90)会不会在出射端面内发生全反射?sin0=NAcosa-nsina=0,2888枢=16.7IIIIUaUa3 3dMdMsin4心=NAcosa+n2sina=0,81641ax=54.7(b)(c)包层折射率一定，%=1，52sin900=4cos10%sin10,NX=L2834,%=L98940-aresin-=30.18L9894出射端面内出射角。“=3。8+1。2 访康=3。8 会发生全反射sin90=NAcos10ft+&sin10”NA=07474,=1.6938

5、8、arcsin!二 36J81.6938出射端面内出射角P=-=36J8-10a:二24c=ad故卫横场发散角较大，一般为30-40度“辐射场发散角与谐振腔长度成反比，而激光谐振腔长度一般只有几百微米，故其远场发散角远远大于气体及晶体激光器0P37321 .试比较同质结，SH 和 DH 激光器的工作特性，分析每种类型的优点和缺点。22 .工作波长=8950?的 GaAsDFB 激光器，若用一级光栅，试求光栅间距为多少?.2万A解:光栅公式;4口=096页1L29)m一级光栅，取尸LGaAs介质的折射率”=36代入计算得：A48950AA-=2万236=0.124/?23 .如果 GaAs 介

6、质的折射率 n=3.6,试求 GaAs 半导体激光器谐振腔端面的反射率 R。解：GaAs 半导体激光器谐振腔端面为正入射，故品=%=仁与均十为nl=n=3+6,n2=l72=31.95%24 .半导体激光器的发散角可近似为 0-sin1（%/a）,a 为有源区线度，若 d=2um,w=12um,求该激光器的发散角西口 0|的值。25 .在讨论耦合问题时，可把 LED 看作朗伯型光源（即均匀的面发光体），试计算 LED 与光纤直接耦合的耦合效率。并与 LD 与光纤直接耦合的耦合效率相比较（计算时光纤的数值孔径取 NA=0.2,LD 的发散角 0-36,9|=9）26 .利用散射中能量守恒和动量守

7、恒的关系推导布里渊频移的表达式，并解释单模光纤中的 SBS 多为后向散射光的原因。1）5BS过程可经典地描述为泵浦光波（即注入光纤的信号光）、斯托克斯光波和声波之间的参量相互作用士血.血尸中GJS根据动量守恒：根据能量守恒：叱=%+吗由于在光纤中，5ES多为后向散射.故。=豆由于频移很小，故可以认为：叩=1。3=2即联立可以得到SB5频移/三”二攵以二表面叫二2%2靠双42)当家浦光在光纤中传播时，其自发布电渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到定程度时，反向传输的斯托克斯光和泉涌光将发生干涉作用，形成驻波，使电场分布不均匀，导致密度变化。这样

8、由于电致伸缩效应,就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光乂加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布电渊散射(SBS)27 .在自聚焦透镜斐索干涉仪中，若待测面 M3的振动方式为 x(t)=Asin(4t),其中 A 为振幅，块为圆频率，则光电探测器测得的光电信号为：V(t)=kcos(4jasin(w0t),其中 a=A/%,不为激光波长，k 为光电转换系数。试给出一种从信号 V(t)恢复到振幅 a 的方法。解：方法一利用贝塞尔恒等式cosfsiiifot)=+2J式3)si1123f+2/式$)c。与4m将F(/F(/= =lcos(4jrlcos

9、(4jr zsn(cjzsn(cj0 0f)f)按上式展开方法二；vK(Z)=左8父4；277疝Q(qf)=此(1一8-sin:Rf):/2=左-航廿)28 .全光纤马赫一泽德(M-Z)滤波器通常是由两个 3dB 耦合器连接而成，如下图所示，定向耦合器的传输矩阵为C=0.5),1I和 l2为中间光纤臂长，设光场从 1 端输入，求从 3、4 端出射的光场振幅透射系数3和 T14及两相邻透令 A=/1/2I-J1-CIL-j-,光纤段的传输矩阵为exp-jk0nL0一0exp(jk0n%)_,其中 C 为耦合效率(3dB 相当于射峰之间的波长差。解：由条件知,34 端光场为:12一刀exp(一北山

10、J0exp(-7*0/i/2?则上式变为;=exp-/(/l+/2)/2-y=山|一.、，1-COS(2-/7AA/2)=/=即代必2)=、12/7A其中A=.T光纤激光器；泵浦光，光纤谐振腔，工作物质(掺杂光纤/(289 妇光纤放大器与激光器相比，没有光纤谐振腔结构；优势：散热快.损耗小,泵浦光转化效率高，阈值低：(2)小巧灵活，可集成化：由于稀土离子的宽能级结构以及光纤基质的高可调性：输出光可调谐,调谐范围亦较宽.另外，还具有良好的单色性.30.利用光纤中的非线性偏振演变效应，设计出一种被动锁模光纤激光器系统，其系统如下:振控制器，试利用光纤中的偏振变化解释这种锁模光纤激光器的工作原理。exp(-j%，iAA/2)0ex p(冉必/2)7K_E遥Kp(jko#h+/J/2)2sin(l/?AA/2)f2cos(0nAA/2)所以海(3/2)=小吟0取匕和%分别使几=1 和(4=1，即：2mL2JZT;AZ.1=2才p+一=27Vq设匕%,4小当取p=q时时频率差最小，从上两式可得29.请说明光纤激光器的结构,它与光纤放大器的不同,以及光纤激光器和光纤放大器相比于传统器件有哪些优点oPC1 和 PC2 是两块偏答：由隔离器出来的光