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绪论 1

第1章 半导体激光器的物理基础 8

1．1 晶体结构、能带和杂质能级 8

1．1．1 晶体结构 8

1．1．3 直接带隙与间接带隙 10

1．1．4 杂质能级 11

1．1．5 能带尾态 14

1．2 半导体中载流子的统计分布及输运 15

1．2．1 热平衡状态下半导体中的载流子 15

1．2．2 非平衡状态下半导体中的载流子 17

1．2．3 非平衡载流子的输运 18

1．3 半导体异质结 19

1．3．1 突变p－N异质结 19

1．3．2 突变同型异质结 23

1．3．3 异质结的主要性质 25

2．1 半导体内的量子跃迁 31

2．1．1 半导体内量子跃迁的过程 31

第2章 光子与半导体中载流子的相互作用 31

2．1．2 半导体内量子跃迁的特点 32

2．2 光子密度与能量分布函数 32

2．3 跃迁速率与爱因斯坦(Einstein)关系 34

2．3．1 自发光发射跃迁 35

2．3．2 受激光发射跃迁 35

2．3．3 受激光吸收跃迁 36

2．3．4 爱因斯坦关系 36

2．4．1 净受激发射速率 37

2．4．2 吸收系数 37

2．4 自发发射、受激发射与受激吸收间的关系 37

2．4．3 自发发射速率与吸收系数的关系 38

2．4．4 自发发射速率与受激发射速率的关系 38

2．5．1 含时间的微扰理论 39

2．5．2 微扰算符 39

2．5 跃迁矩阵元、跃迁几率 39

2．5．3 跃迁矩阵元与跃迁几率 41

2．6 半导体中总的受激发射速率 44

2．7 半导体中的载流子复合 46

2．7．1 辐射复合 46

2．7．2 非辐射复合 48

第3章 半导体激光器的工作原理 52

3．1 粒子数反转分布与光增益 52

3．2 阈值条件和增益分布 53

3．2．1 阈值增益 53

3．2．2 增益谱计算 55

3．2．3 增益系数与电流密度的关系 55

3．2．4 增益饱和 57

3．3 半导体激光器的模式理论 58

3．3．1 激光二极管中的波动方程 59

3．3．2 电学常数与光学常数 60

3．3．3 电磁辐射的TE模与TM模 62

3．3．4 对称三层介质平板波导 63

3．3．5 图解 66

3．3．6 不对称三层介质平板波导 68

3．3．7 模截止条件 69

3．4 限制因子 70

3．5 导波有源层中导波机理的分类 71

3．6 垂直于P-N结平面的波导效应 74

3．7 模式选择 75

3．8 矩形介质波导 77

第4章 F-P腔半导体激光器的结构及特性 81

4．1 结构简介 81

4．2 F-P腔宽接触DH激光器 82

4．2．1 阈值电流密度 82

4．2．2 半导体激光器的效率 86

4．2．3 半导体激光器的远场特性 88

4．2．4 光谱特性 90

1．1．2 能带的形成 91

4．3 条形激光器介绍 92

4．4 条形激光器的理论分析 94

4．4．1 电流扩展 94

4．4．2 载流子扩散 95

4．4．3 光增益 97

4．4．4 平面结构中的导波效应 98

4．4．5 非平面结构中的导波效应 99

4．4．6 光功率(P)－电流(I)特性 99

4．5 增益导引激光器 101

4．6．1 弱折射率导引激光器 103

4．6．2 强折射率导引激光器 103

4．6 折射率导引激光器 103

第5章 半导体激光器的动态特性 109

5．1 速率方程 109

5．1．1 速率方程的稳态解 110

5．2 接通延迟 111

5．3 弛豫振荡 112

5．4 自持脉冲 115

5．5 光谱线宽 116

5．6 调制特性 117

5．6．1 速率方程 118

5．6．2 小信号正弦波强度调制 119

5．6．3 大信号效应和脉码调制 120

5．6．4 高频调制下的受激发射光谱 121

5．7 噪声特性 121

5．7．1 强度调制噪声 122

5．7．2 频率调制噪声 122

5．7．3 其他噪声源 124

第6章 分布反馈式半导体激光器与分布布拉格反射式半导体激光器 125

6．1 概念的提出 125

6．1．1 简要回顾 126

6．2 理论分析 128

6．3 具有均匀光栅的DFB-LD 130

6．4 λ／4相移的DFB-LD 132

6．5 增益耦合DFB-LD 134

6．6 DBR激光器 136

6．7 工作特性 137

6．7．1 温度与电流注入特性 138

6．7．2 光谱及线宽 138

6．7．3 偏振选择性 140

6．7．4 动态单模与啁啾 140

6．8 制造技术 141

6．9 光栅制造 143

6．10 波长可调谐激光器 145

6．10．1 调谐基本原理 146

6．10．2 影响调谐范围的因素 148

6．10．3 扩大调谐范围的措施 148

6．11 近期进展 148

6．11．1 高速激光器 149

6．11．2 窄线宽激光器 149

6．11．3 光栅面发射激光器 149

第7章 其他半导体激光器 152

7．1 可见光半导体激光器 152

7．1．1 InGaAIP激光器的结构及性能 155

7．2 半导体蓝、绿光激光器 158

7．2．1 SiC材料激光器 158

7．2．2 Ⅲ族元素氮化物激光器 159

7．2．3 Ⅳ-Ⅵ族蓝绿光激光器 161

7．3 中、远红外半导体激光器 163

7．3．1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 164

7．3．3 Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体 165

7．3．2 Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体 165

7．4 垂直腔面发射激光器(VCSEL) 169

7．4．1 引言 169

7．4．2 历史简要回顾 170

7．4．3 VCSEL结构 170

7．4．4 VCSEL的制造 176

7．4．5 激光器阵列 177

7．4．6 VCSEL特性 177

7．5 VCSEL阵列 183

7．5．1 多波长阵列 183

7．5．2 独立可寻址(Addressable)阵列 185

7．5．3 高速多波长阵列 186

7．5．4 长波长VCSE 187

7．5．5 可见光VCSEL 188

8．1 引言 190

第8章 量子阱半导体激光器 190

8．2 量子阱、超晶格物理基础 191

8．2．1 半导体超晶格 191

8．2．2 量子阱中电子的能量状态 194

8．2．3 二维电子气的台阶状态密度分布 196

8．2．4 量子阱中的激子效应 198

8．2．5 量子阱中载流子的能量分布 198

8．3 量子阱激光器工作原理 199

8．3．1 量子阱中载流子的收集与复合 199

8．3．2 注入电流与增益 200

8．3．3 增益与量子阱厚度的关系 203

8．4 量子阱激光器的结构与特性 203

8．4．1 量子阱激光器的结构 203

8．4．2 量子阱激光器的基本特性 204

8．5 应变量子阱激光器 210

8．5．1 晶格失配与应变 211

8．5．2 临界厚度 212

8．5．3 应变量子阱的能带结构 213

8．5．4 应变量子阱激光器的增益特性 217

8．5．5 应变量子阱激光器 218

8．6 新型量子阱激光器 222

8．6．1 低维超晶格——量子线、量子点激光器 222

8．6．2 量子级联激光器 224

第9章 半导体激光放大器(SLA)及其应用 227

9．1 引言 227

9．2 增益特性 227

9．2．1 增益谱和带宽 228

9．2．2 增益饱和 229

9．2．3 放大器噪声 229

9．3 放大器的设计 231

9．3．1 F-P放大器 231

9．3．2 行波放大器 231

9．4．1 放大器带宽 232

9．4 放大器的特性 232

9．4．2 饱和功率 233

9．4．3 噪声因子 234

9．4．4 偏振灵敏性 235

9．5 多量子阱放大器 237

9．6 LA的应用 237

9．6．1 光通信系统中的应用 237

9．6．2 高功率应用 238

9．6．3 脉冲放大 240

9．6．4 光子开关 240

9．6．5 波长转换器 247

9．6．6 波长可调谐滤波器 252

第10章 半导体激光器列阵(SLDA)及光电子集成(OEIC) 255

10．1 引言 255

10．2 耦合模理论 255

10．2．1 耦合模方程 256

10．2．2 多波导系统内的模耦合 258

10．2．3 耦合模理论的改进 261

10．2．4 耦合模理论应用的限制 262

10．3 折射率导引列阵 262

10．3．1 基本结构 262

10．3．2 均匀列阵 263

10．4 增益导引列阵 265

10．4．1 基本结构 265

10．4．2 均匀列阵 265

10．5 增强模的选择机制 267

10．5．1 高阶模的截止 268

10．5．2 由近间隔反波导组成的列阵 268

10．6 应用简介 273

10．7 光电子集成回路(OEIC)及光子集成回路(PIC) 273

10．7．1 多段DBR可调谐激光器 274

10．7．2 激光器与调制器或放大器的集成 276

10．8 集成激光器发射组件 280

10．8．1 OEIC的结构 280

10．8．2 集成LD发射组件 282

10．8．3 光电子集成的发展趋势 283

第11章 半导体激光器的材料、工艺及可靠性 287

11．1 半导体激光器的材料 287

11．1．1 GaAs及其三元化合物 289

11．1．2 InP及其三元、四元化合物 291

11．2 Ⅲ—Ⅴ族化合物的外延生长 294

11．2．1 液相外延(LPE) 294

11．2．2 金属有机化学气相沉积(MOCVD) 309

11．2．3 分子束外延(MBE) 313

11．2．4 化学分子束外延(CBE) 315

11．3 半导体外延材料的性能检测 317

11．3．2 异质结晶格匹配度的测定 318

11．3．1 半导体异质结显示 318

11．3．3 光荧光测量 320

11．4 半导体激光器的制造工艺 320

11．4．1 引言 320

11．4．2 化合物半导体中的掺杂扩散 322

11．4．3 化学腐蚀 325

11．5 欧姆接触 327

11．6 后步工艺 329

11．7 半导体激光器的可靠性 330

第12章 半导体激光器的应用 335

12．1 光纤通信 335

12．1．1 速率要求 335

12．1．2 光谱和功率的要求 337

12．1．3 相干光通信 339

12．1．4 多信道系统 340

12．1．5 其他附加考虑 342

12．2 半导体激光器与光纤的耦合 343

12．3 光学数据存储——光盘技术 346

12．3．1 引言 346

12．3．2 光盘的数据读出 347

12．3．3 用于光写入的半导体激光器 348

12．3．4 光反馈的影响 350

12．3．5 小结 351

12．4 激光二极管泵浦的固体激光器(DPSL) 352

12．4．1 引言 352

12．4．2 激光二极管的泵浦方式 353

12．4．3 激光增益晶体 354

12．4．4 泵浦用半导体激光器及列阵 357

12．5 半导体激光器的其他应用 359

12．5．1 军事方面的应用 359

12．5．2 激光打印 360

12．5．3 原子物理中的应用 361

附录 英语缩略词英—汉对照表 363