半导体激光器基础PDF电子书下载

第1章 概述 1

1.1 半导体激光器的基本原理与器件结构 1

1.2 半导体激光器材料 8

1.3 注入型半导体激光器的特点 10

1.4 半导体激光器的应用 11

第2章 电子与光子的相互作用 15

2.1 光波的量子化与光子 15

2.1.1 光模展开表示 15

2.1.2 模密度 16

2.1.3 光波的量子化 17

2.1.4 能量本征态与光子 18

2.1.5 相干状态 20

2.2 电子与光子的相互作用 21

2.2.1 光子-电子系统的哈密顿算符与运动方程式 21

2.2.2 跃迁概率与费米黄金律 23

2.3 光子的吸收与发射 25

2.3.1 光跃迁与矩阵元 25

2.3.2 光吸收 27

2.3.3 光的自然发射与受激发射 27

2.3.4 爱因斯坦关系式 28

2.4 反转分布与光放大 29

3.1.1 直接跃迁型半导体能带结构 31

第3章 半导体中的受激发射与光放大增益 31

3.1 半导体的能带结构与受激发射 31

3.1.2 受激发射条件 33

3.1.3 光吸收、光发射与吸收系数、增益系数 34

3.2 直接跃迁模型 35

3.3 GHLBT-SME模型 38

3.3.1 放大增益和由自然发射的能量积分的表示 38

3.3.2 掺杂半导体中的电子状态密度 40

3.3.3 跃迁矩阵元 42

3.4.1 准费米能级的确定 45

3.4 增益频谱与增益系数 45

3.4.2 带隙收缩 46

3.4.3 增益频谱 47

3.4.4 最大增益与载流子密度的关系 48

3.5 自然发射与注入电流密度 49

3.5.1 自然发射频谱 49

3.5.2 载流子密度与注入电流密度 50

3.5.3 最大增益与注入电流密度的关系 51

3.5.4 非辐射复合与载流子泄漏电流 51

3.6 密度矩阵分析 53

3.6.1 极化与增益系数 53

3.6.2 极化的密度矩阵表示 54

3.6.3 弛豫效应的处理 56

3.6.4 密度矩阵方程式 56

3.6.5 线性增益与折射率变化 58

3.6.6 饱和效应 61

3.6.7 向多模情况推广 62

第4章 量子阱结构中的受激发射 65

4.1 量子阱结构中的电子状态 65

4.1.1 量子阱结构的形成 65

4.1.2 量子限制效应 66

4.1.3 二维电子气 70

4.1.4 量子阱内的孔穴 71

4.1.5 状态密度 72

4.2 直接跃迁模型 74

4.2.1 放大增益与自然发射的表达式 74

4.2.2 跃迁矩阵元 74

4.2.3 换算状态密度 76

4.3 增益频谱与增益系数 76

4.3.1 量子阱激光器的结构 76

4.3.2 准费米能级的确定 77

4.3.3 量子阱增益频谱的特点 78

4.3.6 带尾与弛豫效应 80

4.3.5 激子效应 80

4.3.4 偏振关系 80

4.3.7 最大增益与载流子密度的关系 82

4.3.8 吸收频谱与最大增益波长 83

4.4 自然发射与注入电流密度 84

4.5 应变量子阱 85

第5章 半导体异质结构光波导 89

5.1 半导体激光器中光波导的概况 89

5.2 光波的基本方程式 91

5.2.1 麦克斯韦方程式与波动方程式 91

5.2.2 描述注入载流子的半导体 92

5.3.1 波导内光的电磁场模 93

5.3 波导内的光波 93

5.3.2 模间正交性与功率流 94

5.4 平面波导 95

5.4.1 波动方程式 95

5.4.2 阶跃形折射率波导 96

5.4.3 渐变形折射率波导 102

5.5 扰动的处理与光波限制系数 106

5.5.1 波导变化引起的传播常数的变化 106

5.5.2 载流子注入效应与损耗的处理 108

5.5.3 波导模限制系数 108

5.6.1 马卡特利方法 110

5.6 沟道形波导 110

5.6.2 等价折射率法 112

5.6.3 增益波导 113

5.6.4 折射率波导 115

5.7 波导端面反射 116

5.7.1 平面波的反射 117

5.7.2 波导模的反射率 118

5.8 波导型法布里-珀罗谐振器 120

5.8.1 透射特性 121

5.8.2 光波功率积蓄 122

5.8.3 纵谐振模与光子寿命 123

5.9 远场图 126

第6章 半导体激光器的特性 129

6.1 半导体激光器的结构与激射概要 129

6.1.1 法布里-珀罗型半导体激光器的结构 129

6.1.2 激射条件 130

6.1.3 注入电流与输出光功率 132

6.2 速率方程式 133

6.2.1 速率方程式分析概要 133

6.2.3 光子密度 135

6.2.4 光子密度的速率方程式 136

6.2.5 光波相位的速率方程式 137

6.2.6 速率方程式的图示与扩展 138

6.3 稳态激射特性 139

6.3.1 单模模型与速率方程式的近似解 139

6.3.2 阈值电流与输出光功率 140

6.3.3 自然发射效应 141

6.3.4 横模特性 143

6.3.5 纵模频谱 144

6.2.2 载流子密度的速率方程式 144

6.3.6 模间竞争 147

6.4.1 小信号调制的速率方程式 148

6.4 调制特性 148

6.4.2 瞬态特性与弛豫振动 150

6.4.3 正弦波调制与频率响应 152

6.4.4 频率啁啾 153

6.4.5 大信号过渡响应 155

6.4.6 振荡延迟 157

6.5 噪声特性 158

6.5.1 威纳-肯钦定理与散粒噪声 158

6.5.2 朗之万噪声源与起伏方程式 160

6.5.3 朗之万噪声源的相关函数与功率频谱 161

6.5.4 强度噪声 163

6.5.5 频率噪声 166

6.5.6 多模噪声 168

6.5.7 返回光感应噪声 170

6.6 单模频谱与频谱线宽 174

6.6.1 夏劳-汤斯线宽 174

6.6.2 半导体激光器的线宽 175

6.7 超短光脉冲的发生 178

6.7.1 自脉冲振荡 178

6.7.2 增益开关 178

6.7.3 锁模 179

7.1 动态单模激光器 183

第7章 分布反馈型激光器 183

7.2 耦合模方程式 185

7.2.1 波矢图和布拉格条件 185

7.2.2 光栅的描述 186

7.2.3 模耦合方程式 186

7.2.4 模耦合方程式与标准模 188

7.2.5 耦合系数和发射损耗系数 190

7.3 分布反馈型（DFB）激光器 191

7.3.1 DFB激光器的激射条件 191

7.3.2 折射率耦合DFB激光器 192

7.3.3 相位移动折射率耦合DFB激光器 194

7.3.4 增益耦合DFB激光器 196

7.3.5 光子寿命和速率方程式 197

7.3.6 工作特性 200

7.4 分布布拉格反射型（DBR）激光器 203

7.4.1 分布布拉格反射器 203

7.4.2 DBR激光器的激射条件 207

7.4.3 DBR激光器的组成与工作特性 208

7.4.4 可变波长的DBR激光器 209

第8章 半导体激光放大器 211

8.1 增益频谱与增益饱和 211

8.2 谐振型激光放大器 213

8.3 行波型激光放大器 214

8.3.1 放大率和放大器频带 215

8.3.2 饱和输出 216

8.3.3 噪声特性 217

8.4 锥形激光放大器 219

8.4.1 结构 219

8.4.2 光束传播法的分析 220

8.4.3 特性 221

8.5 MOPA激光器 222

附录 225

索引 233