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绪论1

第1章 半导体中光子-电子的互作用4

1.1 半导体中量子跃迁的特点4

1.2 直接带隙与间接带隙跃迁5

1.2.1 概述5

1.2.2 电子在能带之间跃迁的几率7

1.2.3 电子在浅杂质能级和与其相对的能带之间的跃迁11

1.2.4 重掺杂下带-带跃迁13

1.3 光子密度分布与能量分布14

1.4 电子态密度与占据几率16

1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系20

1.5.1 净的受激发射速率和半导体激光器粒子数反转条件22

1.5.2 自发发射与受激发射速率之间的关系24

1.5.3 净受激发射速率与增益系数的关系24

1.5.4 净的受激吸收速率与吸收系数25

1.6 半导体中的载流子复合26

1.6.1 自发辐射复合速率27

1.6.2 俄歇（Auger）复合31

1.7 增益系数与电流密度的关系36

思考与习题43

参考文献43

第2章 异质结45

2.1 异质结及其能带图45

2.1.1 pN异型质结46

2.1.2 突变同型异质结48

2.1.3 渐变异质结49

2.2 异质结在半导体光电子学器件中的作用50

2.2.1 在半导体激光器中的作用50

2.2.2 异质结在发光二极管（LED）中的作用51

2.2.3 异质结在光电二极管探测器中的应用51

2.3 异质结中的晶格匹配52

2.4 对注入激光器异质结材料的要求57

2.4.1 从激射波长出发来选择半导体激光器的有源材料57

2.4.2 从晶格匹配来考虑异质结激光器材料59

2.4.3 由异质结的光波导效应来选择半导体激光器材料59

2.4.4 衬底材料的考虑65

2.5 异质结对载流子的限制65

2.5.1 异质结势垒对电子和空穴的限制65

2.5.2 由泄漏载流子引起的漏电流69

2.5.3 载流子泄漏对半导体激光器的影响72

思考与习题73

参考文献73

第3章 平板介质光波导理论75

3.1 光波的电磁场理论75

3.1.1 基本的电磁场理论75

3.1.2 光学常数与电学常数之间的关系76

3.2 光在平板介质波导中的传输特性81

3.2.1 平板介质波导的波分析方法81

3.2.2 平板介质波导的射线分析法87

3.3 矩形介质波导94

思考与习题98

参考文献98

第4章 异质结半导体激光器100

4.1 概述100

4.2 光子在谐振腔内的振荡101

4.3 在同质结基础上发展的异质结激光器104

4.3.1 同质结激光器104

4.3.2 单异质结半导体激光器105

4.3.3 双异质结激光器106

4.4 条形半导体激光器108

4.4.1 条形半导体激光器的特点108

4.4.2 条形激光器中的侧向电流扩展和侧向载流子扩散109

4.5 条形激光器中的增益光波导115

4.5.1 概述115

4.5.2 增益波导的数学分析116

4.5.3 增益波导激光器中的象散、K因子120

4.5.4 侧向折射率分布对增益波导的影响121

4.6 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）123

4.6.1 概述123

4.6.2 VCSEL的结构124

4.6.3 布拉格反射器126

4.7 分布反馈（DFB）半导体激光器129

4.7.1 概述129

4.7.2 耦合波方程130

4.7.3 耦合波方程的解132

4.7.4 阈值增益和振荡模式133

4.7.5 DFB激光器结构与模选择135

思考与习题138

参考文献138

第5章 半导体激光器的性能140

5.1 半导体激光器的阈值特性140

5.1.1 半导体激光器结构对其阈值的影响140

5.1.2 半导体激光器的几何尺寸对阈值电流密度的影响141

5.1.3 温度对阈值电流的影响145

5.2 半导体激光器的效率146

5.3 半导体激光器的远场特性149

5.3.1 垂直于结平面的发散角θ⊥150

5.3.2 平行于结平面方向上的发散角θ∥152

5.3.3 波导结构对远场特性的影响152

5.4 半导体激光器的模式特性153

5.4.1 纵模模谱154

5.4.2 影响纵模谱的因素155

5.4.3 激光器的单纵模工作条件157

5.4.4 “空间烧洞”效应对单模功率的限制159

5.4.5 温度对模谱的影响160

5.4.6 单纵模激光器161

5.5 半导体激光器的光谱线宽162

5.5.1 肖洛-汤斯（Schawlow-Townes）线宽△vsT162

5.5.2 半导体激光器的线宽164

5.5.3 与输出功率无关的线宽165

5.5.4 增益饱和与线宽166

5.6 半导体激光器的瞬态特性166

5.6.1 瞬态响应的物理模型166

5.6.2 速率方程167

5.6.3 延迟时间td169

5.6.4 对半导体激光器直接调制169

5.6.5 张弛振荡172

5.6.6 自持脉冲175

5.7 半导体激光器的退化和失效176

5.7.1 半导体激光器的工作方式176

5.7.2 半导体激光器的退化178

5.7.3 欧姆接触的退化180

5.7.4 温度对半导体激光器退化的影响180

思考与习题181

参考文献181

第6章 低维量子半导体材料183

6.1 概述183

6.2 量子阱的基本理论和特点185

6.2.1 量子阱中的电子波函数185

6.2.2 量子阱中电子的态密度187

6.2.3 量子阱中的激子性质189

6.2.4 应变量子阱190

6.3 基于量子阱材料的半导体激光器193

6.3.1 概述193

6.3.2 单量子阱（SQW）半导体激光器193

6.3.3 多量子阱（MQW）半导体激光器194

6.4 量子线与量子点196

思考与习题199

参考文献199

第7章 半导体光放大器（SOA）201

7.1 概述201

7.2 半导体光放大器的性能要求203

7.2.1 半导体光放大器的增益特性204

7.2.2 半导体光放大器的噪声特性209

7.2.3 半导体光放大器的耦合特性211

7.3 半导体光放大器应用展望211

7.3.1 半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用212

7.3.2 半导体光放大器在全光信号处理中的应用213

思考与习题216

参考文献217

第8章 可见光半导体光发射器件218

8.1 概述218

8.2 红光半导体发射器件221

8.2.1 红光半导体材料221

8.2.2 红光半导体激光器223

8.2.3 红光发光二极管225

8.3 蓝光半导体光发射器件227

8.3.1 概述227

8.3.2 Ⅲ-N化合物半导体光发射材料228

8.3.3 绿光半导体光发射材料231

思考与习题232

参考文献233

第9章 半导体中的光吸收和光探测器235

9.1 本征吸收235

9.1.1 直接带隙跃迁引起的光吸收236

9.1.2 间接带隙跃迁引起的光吸收238

9.2 半导体中的其他光吸收242

9.2.1 激子吸收242

9.2.2 自由载流子吸收246

9.2.3 杂质吸收248

9.3 半导体光电探测器的材料和性能参数249

9.3.1 常用的半导体光电探测器材料249

9.3.2 半导体光电探测器的性能参数250

9.4 无内部倍增的半导体光探测器253

9.4.1 光电二极管253

9.4.2 P1N光探测器253

9.4.3 光电导探测器256

9.5 半导体雪崩光电二极管（APD）257

9.5.1 APD的原理与结构257

9.5.2 APD的噪声特性261

9.5.3 APD的培增率（或倍增因子）264

9.5.4 APD的响应速度264

9.6 基于量子阱材料的光探测器265

9.6.1 量子阱雪崩倍增二极管265

9.6.2 量子阱中远红外探测器266

思考与习题268

参考文献268

第10章 半导体光电子器件集成270

10.1 概述270

10.2 制约光子集成和光电子集成发展的某些因素273

10.3 某些推动光子集成发展的潜在科学技术277

10.3.1 基于纳米光子学的器件集成277

10.3.2 基于表面等离子体的光子集成281

10.3.3 光子晶体285

10.3.4 微环谐振腔287

思考与习题289

参考文献290