考研科目光电子技术基础核心考点精解

常见问题解答

问题一：光电探测器的工作原理是什么？如何选择合适的光电探测器？

光电探测器是将光信号转换为电信号的关键器件，在光电子技术中应用广泛。其工作原理主要基于光电效应，包括外光电效应、内光电效应和量子光电效应。外光电效应如光电倍增管，通过光子撞击阴极释放电子并放大；内光电效应则包括光电导效应（如CdS探测器）和光伏效应（如光电二极管），前者利用光照增强材料导电性，后者通过PN结光生伏特效应直接转换。选择探测器时需考虑多个因素：光谱响应范围要匹配光源波长，如红外探测器的热释电或光子型；响应速度决定能否捕捉快速变化信号，雪崩光电二极管（APD）速度快但噪声高；探测灵敏度以探测率D衡量，单位cm·Hz(1/2)/W，高D适用于微弱信号；响应度R（A/W）反映输出电流与入射功率比；结温影响噪声性能，低温可降低热噪声。例如，激光测距需选用响应速度快、探测率高的APD，而环境监测可选用光谱选择性好的光电二极管。

问题二：激光器的谐振腔有哪些基本类型？如何计算其纵模频率间隔？

激光器谐振腔是决定激光器输出特性核心结构，主要有平行平面腔（如He-Ne激光器）、法布里-珀罗腔（FP腔）和稳定非稳腔等类型。平行平面腔最简单，两反射镜平行放置，激光在镜面间来回反射形成驻波；FP腔通过精密间隔的反射镜实现高选择性，形成等倾干涉，输出窄线宽激光；非稳腔则利用非平行镜面或特殊曲面，可输出宽谱线或调Q脉冲。计算纵模频率间隔需考虑光在腔内传播的相位条件，公式Δν_m = c/(2L)sin(θ_m)，其中c为光速，L为腔长，θ_m为第m级谐振角。当腔内无衍射（θ_m≈0）时，简化为Δν_m = c/(2L)，即所有纵模等间隔分布。实际激光器中，衍射角θ_m = arcsin(λ_m/L)受波长λ_m限制，导致低阶模间距大于高阶模。例如，腔长10cm的可见光激光器，其自由光谱范围约3×1014Hz，但实际输出仅包含满足相位条件的有限纵模。

问题三：光纤通信系统中色散补偿技术有哪些？如何优化色散管理？

光纤色散是限制传输距离的关键因素，主要包括色度色散（材料色散和波导色散）和模式色散（多模光纤特有）。补偿技术分为色散补偿模块、色散管理技术和波分复用（WDM）系统。色散补偿模块常用色散补偿光纤（DCF），其材料色散为负值，可抵消正色散，典型值-150ps/nm/km；另一种是色散平坦光纤（DF），在特定波长范围（如1550nm）保持极小色散。色散管理技术通过交替使用正负色散光纤段，实现全程零色散传输，但需精确控制每段长度和色散值。WDM系统则通过色散补偿片堆（DCF片堆）按波长分配不同补偿量，特别适用于多通道系统。优化色散管理需考虑：1）全程色散应控制在系统允许范围（如G.652光纤≤1638ps/km）；2）补偿光纤应与主传光纤特性匹配；3）色散斜率需最小化；4）考虑非线性效应影响。实际工程中常采用迭代设计方法：先确定总补偿量，再分配到各段，最后验证脉冲展宽是否达标。例如，传输1200km系统可分段插入DCF（如300km），同时调整每段长度使输出脉冲保持≤40ps。