二极管激光器与集成光路PDF电子书下载

1.1 引言 1

第1章　绪论 1

1.2　固体能级与能带 2

1.3 自发跃迁与受激跃迁：光的产生 3

1.4　二极管激光器中载流子的横向限制：双异质结构 4

1.5　用于二极管激光器的半导体材料 6

1.6　外延生长技术 9

1.7 实际激光器的电流、载流子和光子的侧向限制 11

习题 17

第2章　关于二极管激光器的现象学方法 19

2.1 引言 19

2.2　有源区内载流子的产生与复合 19

2.3 自发光子的产生与发光二极管 21

2.4　激光器腔体内光子的产生与损耗 23

2.5　激光器的阈值增益或稳态增益 25

2.6.1　基本的P-I特性 27

2.6 阈值电流和输出功率与电流的关系 27

2.6.2　激光器驱动电流对镜面反射率和腔长的影响 29

2.7　弛豫谐振与频率响应 32

2.8　实际二极管激光器的特性测试 35

2.8.1 共面激光器的内部参数：αi，ηi和g与J的关系 35

2.8.2 VCSEL的内部参数：ηi和g与J，αi和αm的关系 37

2.8.3　效率与热流 37

2.8.4　温度对驱动电流的影响 38

2.8.5　导数分析 39

习题 41

第3章　二极管激光器的镜面与谐振 44

3.1 引言 44

3.2　散射理论 45

3.3　某些常用元素的S矩阵和T矩阵 48

3.3.1　电介质界面 48

3.3.2　无不连续点的传输线 49

3.3.3 电介质节段和Fabry-Perot标准具 51

3.3.4　Fabry Perot激光器 53

3.4　三镜面和四镜面激光腔 54

3.4.1　三镜面激光器 54

3.4.2　四镜面激光器 57

3.5　光栅 59

3.5.1 引言 59

3.5.2　传输矩阵理论 60

3.5.3　光栅的有效镜面模型 64

3.6　DBR激光器 66

3.6.1 引言 66

3.6.2　阈值增益和输出功率 66

3.6.3　模式选择和调谐性 69

3.7 DFB激光器 71

3.8　单频激光器的模式压缩比 74

习题 75

第4章　增益与电流的关系 78

4.1 引言 78

4.2　辐射跃迁 78

4.2.1　基础定义与基本关系 78

4.2.2　辐射跃迁速率的基本描述 81

4.2.3　跃迁矩阵元 83

4.2.4　降低的态密度 86

4.2.5　与爱因斯坦受激速率常数的对应关系 88

4.3　光增益 88

4.3.1　增益的常规表示 88

4.3.2　线形展宽 91

4.3.3　增益谱的一般特征 94

4.3.4　多体效应 95

4.4 自发发射 97

4.4.1　单模自发发射速率 97

4.4.2　总的自发发射速率 98

4.4.3 自发发射因子 100

4.5.1　缺陷与杂质复合 101

4.5　非辐射跃迁 101

4.5.2　表面与界面复合 103

4.5.3　俄歇复合 107

4.6　有源材料及其特性 111

4.6.1　应变材料与掺杂材料 112

4.6.2　常用有源材料的增益谱 113

4.6.3　增益与载流子密度的关系 115

4.6.4 自发发射谱和电流与载流子密度的关系 118

4.6.5　增益与电流密度的关系 120

4.6.6　增益的实验曲线 122

4.6.7　阱宽度、掺杂与温度的影响 123

习题 126

5.1 引言 130

5.2　第2章回顾 130

第5章　动态效应 130

5.2.1 速率方程 131

5.2.2　稳态解 132

5.2.3　稳态多模解 136

5.3　速率方程的微分分析 137

5.3.1　小信号频率响应 141

5.3.2　小信号瞬态响应 144

5.3.3　小信号FM响应或频率啁啾 147

5.4　大信号分析 150

5.4.1 大信号调制：多模速率方程的数值分析 151

5.4.2　启动时延 153

5.4.3　大信号频率啁啾 155

5.5　相对强度噪声和线宽 156

5.5.1 RIN的常规定义和频谱密度函数 156

5.5.2 Schawlow-Townes线宽 158

5.5.3 Langevin法 160

5.5.4 Langevin噪声谱密度与RIN 161

5.5.5　频率噪声 165

5.5.6　线宽 166

5.6　载流子输运效应 169

5.7　反馈效应 173

5.7.1　静态特性 173

5.7.2　动态特性与线宽 177

习题 181

第6章　微扰与耦合模理论 183

6.1 引言 183

6.2　微扰理论 184

6.2.1　均匀介电微扰 184

6.2.2　量子阱激光器的模式增益与折射率微扰的范例 184

6.3　耦合模理论：两模式耦合 185

6.3.1　反向耦合：光栅 186

6.3.2　DFB激光器 193

6.3.3 同向耦合：方向耦合器 196

6.3.4 四端口方向耦合器 200

6.3.5 同向耦合滤波器与电光开关 202

6.4　模式激发 206

6.5　结论 208

习题 208

第7章　介质波导 210

7.1 引言 210

7.2　入射到平面介质边界上的平面波 211

7.3　介质波导的分析方法 213

7.3.1 驻波法 213

7.3.2　横向谐振 215

7.3.3　截止和“泄漏”或“准模式” 216

7.3.4　辐射模 217

7.3.5　多层波导 219

7.3.6　用于任意波导形状的WKB方法 219

7.3.7　用于沟道波导的有效折射率法简介 224

7.3.8　波动方程的数值求解 225

7.4　导模功率与有效宽度 227

7.5　名义上导模的辐射损耗 230

习题 234

第8章　集成光路 237

8.1 引言 237

8.2　采用串联光栅反射器的可调谐激光器和激光器-调制器 237

8.2.1　两段和三段DBR激光器 238

8.2.2　两段器件范例 240

8.2.3　更宽调谐范围的四段DBR 243

8.2.4　激光器调制器或放大器 246

8.2.5　激光器-调制器范例 252

8.3　利用方向耦合器实现输出耦合和信号合成的PIC 255

8.3.1　采用方向耦合器输出分接的环形激光器 256

8.3.2　集成外差接收机 258

8.4　采用同向耦合滤波器的PIC 262

8.5.1 引言 266

8.5　分析PIC的数值方法 266

8.5.2　隐性的有限差分光束传播法 267

8.5.3　利用光束传播法计算z不变波导的传播常数 269

8.5.4　利用光束传播法计算本征模形状 270

习题 270

附录1 固态物理基础回顾 273

A1.1　量子力学入门 273

A1.1.1 引言 273

A1.1.2　量子阱与束缚电子 274

A1.2　固态物理基础 278

A1.2.1 晶体中的电子和能带 278

A1.2.2　有效质量 281

A1.2.3　利用自由电子（有效质量）理论分析态密度 282

附录2　费米能量和载流子密度与泄漏之间的关系 287

A2.1　常规关系 287

A2.2　体材料的近似 289

A2.3　穿越异质势垒的载流子泄漏 294

A2.4 内部量子效率 297

A3.1 引言 299

A3.2　三层平板介质波导 299

附录3　简单双异质结构中的光导波引论 299

A3.2.1　对称平板情况 300

A3.2.2　常规非对称平板情况 301

A3.2.3　横向限制因子Гx 302

A3.3　二维波导的有效折射率法 302

A3.4　远场 305

A4.1　光腔体模式 308

附录4　光模式密度、黑体辐射和自发发射因子 308

A4.2　黑体辐射 309

A4.3 自发发射因子βsp 309

附录5　模式增益、模式损耗与限制因子 311

A5.1 引言 311

A5.2　模式增益的经典定义 311

A5.3　模式增益和限制因子 313

A5.5.1　轴向限制因子 315

A5.4　内部模式损耗 315

A5.5　有源／无源节段腔体的更精确分析 315

A5.5.2　阈值条件和微分效率 317

A5.6　色散对模式增益的影响 319

附录6　关于增益与自发发射的爱因斯坦方法 320

A6.1　引言 320

A6.2　爱因斯坦系数A与B 322

A6.3　热平衡 323

A6.4　增益计算 324

A6.5 自发发射速率计算 327

附录7　周期结构与传输矩阵 329

A7.1　引言 329

A7.2　本征值和本征矢量 329

A7.3　应用于布拉格条件下的介质堆垛 330

A7.4　应用于远离布拉格条件下的介质堆垛 332

A7.5.1　傅里叶极限 334

A7.5　与近似方法的对应关系 334

A7.5.2　耦合模极限 335

A7.6　布拉格条件下通用的反射率 336

习题 337

附录8　半导体中的电子态 340

A8.1　引言 340

A8.2　电子态的一般描述 340

A8.3　Bloch函数和动量矩阵元 341

A8.4　量子阱中的能带结构 343

A8.4.1 导带 343

A8.4.2　价带 344

A8.4.3　应变量子阱 349

附录9　费米黄金法则 353

A9.1 引言 353

A9.2　跃迁速率的半经典推导 353

A9.2.1　情形Ⅰ：矩阵元与终态密度的乘积为常数 355

A9.2.2　情形Ⅱ：矩阵元与终态密度的乘积为delta函数 356

A9.2.3　情形Ⅲ：矩阵元与终态密度的乘积为Lorentzian型 357

习题 358

附录10　跃迁矩阵元 360

A10.1　一般推导 360

A10.2　与偏振有关的效应 362

A10.3　量子阱中包络函数的引入 364

附录11　应变带隙 366

A11.1　应力和应变的一般定义 366

A11.2　应变和带隙的关系 368

A11.3　应变与能带结构的关系 372

附录12　俄歇过程的阈值能量 373

A12.1 CCCH过程 373

A12.2 CHHS和CHHL过程 374

A13.1 Langevin噪声源的特性 375

A13.1.1　相关函数和谱密度 375

附录13　Langevin噪声 375

A13.1.2　Langevin噪声相关强度的计算 377

A13.2　特殊的Langevin噪声相关 377

A13.2.1　光子密度和载流子密度Langevin噪声相关 377

A13.2.2　光子密度和输出功率Langevin噪声相关 378

A13.2.3　光子密度和相位Langevin噪声相关 379

A13.3　噪声谱密度计算 380

A13.3.1　光子噪声谱密度 380

A13.3.2　输出功率噪声谱密度 381

A13.3.3　载流子噪声谱密度 382

习题 383

附录14　微扰公式的推导细节 384

附录15　电光效应 386

附录16　有限差分问题的求解 391

A16.1　矩阵形式 391

A16.2　一维介质平板示例 392

A17.1　一般方法 394

附录17　激光器腔体的优化设计 394

A17.2　特殊情形 395

A17.2.1　情形A1：固定L（αia＝αip）来优化La 395

A17.2.2　情形A2：固定L（αia≠αip）来优化La 396

A17.2.3 情形B1：固定Lp（Lp＝0）来优化La 396

A17.2.4 情形B2：固定Lp（Lp≠0）来优化La 397

A17.2.5 情形C：固定Lp/La来优化La 398

A17.2.6　情形D：固定La和Lp来优化Nw（共面激光器） 398

A17.2.7　情形E：固定L来优化Nw(VCSEL) 399

A17.2.8　情形A～E的总结 399

A17.3　增益曲线上的最佳工作点 400

A17.4　增益曲线上偏移的最佳工作点 402

A17.5　其他设计考虑 403

A17.5.1　高速设计 403

A17.5.2　热效应 404

译者跋 405