目 錄 緒論 1 第1章 半導體中光子-電子的相互作用 4 1.1 半導體中量子躍遷的特點 4 1.2 直接帶隙與間接帶隙躍遷 5 1.2.1 概述 5 1.2.2 電子在能帶之間的躍遷幾率 7 1.2.3 電子在淺雜質(zhì)能級和與其相對的能帶之間的躍遷 11 1.2.4 重摻雜時的帶-帶躍遷 13 1.3 光子密度分布與能量分布 14 1.4 電子態(tài)密度與占據(jù)幾率 16 1.5 躍遷速率與愛因斯坦關(guān)系 20 1.5.1 凈的受激發(fā)射速率和半導體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件 22 1.5.2 自發(fā)發(fā)射與受激發(fā)射速率之間的關(guān)系 24 1.5.3 凈的受激發(fā)射速率與增益系數(shù)的關(guān)系 25 1.5.4 凈的受激吸收速率與吸收系數(shù) 25 1.6 半導體中的載流子復合 26 1.6.1 自發(fā)輻射復合速率 27 1.6.2 俄歇（Auger）復合 31 1.7 增益系數(shù)與電流密度的關(guān)系 36 思考與習題 42 參考文獻 43 第2章 異質(zhì)結(jié) 44 2.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 44 2.1.1 pN異型異質(zhì)結(jié) 45 2.1.2 突變同型異質(zhì)結(jié) 47 2.1.3 漸變異質(zhì)結(jié) 48 2.2 異質(zhì)結(jié)在半導體光電子學器件中的作用 49 2.2.1 在半導體激光器（LD）中的作用 49 2.2.2 異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極管（LED）中的作用 50 2.2.3 異質(zhì)結(jié)在光電二極管探測器中的應用 50 2.3 異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 50 2.4 對注入激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求 55 2.4.1 從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器的有源材料 56 2.4.2 從晶格匹配來考慮異質(zhì)結(jié)激光器材料 58 2.4.3 由異質(zhì)結(jié)的光波導效應來選擇半導體激光器材料 58 2.4.4 襯底材料的考慮 63 2.5 異質(zhì)結(jié)對載流子的限制 63 2.5.1 異質(zhì)結(jié)勢壘對電子和空穴的限制 63 2.5.2 由泄漏載流子引起的漏電流 66 2.5.3 載流子泄漏對半導體激光器的影響 69 思考與習題 70 參考文獻 70 第3章 平板介質(zhì)光波導理論 72 3.1 光波的電磁場理論 72 3.1.1 基本的電磁場理論 72 3.1.2 光學常數(shù)與電學常數(shù)之間的關(guān)系 73 3.2 光在平板介質(zhì)波導中的傳輸特性 78 3.2.1 平板介質(zhì)波導的波動光學分析方法 78 3.2.2 平板介質(zhì)波導的射線分析法 84 3.3 矩形介質(zhì)波導 91 思考與習題 95 參考文獻 96 第4章 異質(zhì)結(jié)半導體激光器 97 4.1 概述 97 4.2 光子在諧振腔內(nèi)的振蕩 98 4.3 在同質(zhì)結(jié)基礎上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器 101 4.3.1 同質(zhì)結(jié)激光器 101 4.3.2 單異質(zhì)結(jié)半導體激光器 102 4.3.3 雙異質(zhì)結(jié)激光器 103 4.4 條形半導體激光器 105 4.4.1 條形半導體激光器的特點 105 4.4.2 條形激光器中的側(cè)向電流擴展和側(cè)向載流子擴散 106 4.5 條形激光器中的增益光波導 111 4.5.1 概述 111 4.5.2 增益波導的數(shù)學分析 112 4.5.3 增益波導激光器中的像散、K因子 117 4.5.4 側(cè)向折射率分布對增益波導的影響 118 4.6 垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL） 120 4.6.1 概述 120 4.6.2 VCSEL的結(jié)構(gòu) 121 4.6.3 布拉格反射器 123 4.7 分布反饋（DFB）半導體激光器 126 4.7.1 概述 126 4.7.2 耦合波方程 127 4.7.3 耦合波方程的解 129 4.7.4 閾值增益和振蕩模式 130 4.7.5 DFB激光器結(jié)構(gòu)與模選擇 132 思考與習題 134 參考文獻 135 第5章 半導體激光器的性能 137 5.1 半導體激光器的閾值特性 137 5.1.1 半導體激光器結(jié)構(gòu)對其閾值的影響 137 5.1.2 半導體激光器的幾何尺寸對閾值電流密度的影響 138 5.1.3 溫度對閾值電流的影響 141 5.2 半導體激光器的效率 142 5.3 半導體激光器的遠場特性 145 5.3.1 垂直于結(jié)平面的發(fā)散角?⊥ 146 5.3.2 平行于結(jié)平面方向上的發(fā)散角?// 148 5.3.3 波導結(jié)構(gòu)對遠場特性的影響 148 5.4 半導體激光器的模式特性 149 5.4.1 縱模譜[11] 150 5.4.2 影響縱模譜的因素 151 5.4.3 激光器的單縱模工作條件 153 5.4.4 “空間燒洞”效應對單模功率的限制 155 5.4.5 溫度對模譜的影響 156 5.4.6 單縱模激光器 157 5.5 半導體激光器的光譜線寬 158 5.5.1 肖洛?湯斯（Schawlow-Townes）線寬?vsT 158 5.5.2 半導體激光器的線寬 159 5.5.3 與輸出功率無關(guān)的線寬 161 5.5.4 增益飽和與線寬 161 5.6 半導體激光器的瞬態(tài)特性 162 5.6.1 瞬態(tài)響應的物理模型 162 5.6.2 速率方程 163 5.6.3 延遲時間td 164 5.6.4 對半導體激光器直接調(diào)制 165 5.6.5 張弛振蕩 167 5.6.6 自持脈沖 170 5.7 半導體激光器的退化和失效 171 5.7.1 半導體激光器的工作方式 171 5.7.2 半導體激光器的退化 173 5.7.3 歐姆接觸的退化 175 5.7.4 溫度對半導體激光器退化的影響 175 思考與習題 175 參考文獻 176 第6章 低維量子半導體材料 178 6.1 概述 178 6.2 量子阱的基本理論和特點 180 6.2.1 量子阱中的電子波函數(shù)和能量分布 180 6.2.2 量子阱中電子的態(tài)密度和增益 182 6.2.3 量子阱中的激子性質(zhì) 184 6.2.4 應變量子阱 185 6.3 量子阱半導體激光器 187 6.3.1 概述 187 6.3.2 單量子阱（SQW）半導體激光器 188 6.3.3 多量子阱（MQW）半導體激光器 189 6.3.4 量子級聯(lián)激光器 191 6.4 量子線與量子點 192 6.4.1 量子線和量子點基本理論 192 6.4.2 量子線和量子點制備方法 194 6.4.3 量子點的定位生長 195 6.4.4 硅基異質(zhì)外延的量子點及激光器 196 思考與習題 199 參考文獻 199 第7章 半導體光放大器（SOA） 202 7.1 概述 202 7.2 半導體光放大器的性能要求 204 7.2.1 半導體光放大器的增益特性 205 7.2.2 半導體光放大器的噪聲特性 210 7.2.3 半導體光放大器的耦合特性[7] 211 7.3 半導體光放大器應用展望 212 7.3.1 半導體光放大器在光纖通信傳輸網(wǎng)上的應用 213 7.3.2 半導體光放大器在全光信號處理中的應用 214 思考與習題 217 參考文獻 218 第8章 可見光半導體光發(fā)射材料和器件 219 8.1 概述 219 8.2 紅光半導體光發(fā)射材料和器件 222 8.2.1 紅光半導體材料 222 8.2.2 紅光半導體激光器 224 8.2.3 紅光發(fā)光二極管 226 8.3 藍/綠光半導體光發(fā)射材料和器件 228 8.3.1 概述 228 8.3.2 Ⅲ-N化合物半導體光發(fā)射材料 229 8.3.3 藍/綠光半導體光發(fā)射器件 232 思考與習題 233 參考文獻 234 第9章 半導體中的光吸收和光探測器 236 9.1 本征吸收 236 9.1.1 直接帶隙躍遷引起的光吸收 237 9.1.2 間接帶隙躍遷引起的光吸收 239 9.2 半導體中的其他光吸收 243 9.2.1 激子吸收 243 9.2.2 自由載流子吸收 247 9.2.3 雜質(zhì)吸收 249 9.3 半導體光電探測器的材料和性能參數(shù) 250 9.3.1 常用的半導體光電探測器材料 250 9.3.2 半導體光電探測器的性能參數(shù) 250 9.4 無內(nèi)部倍增的半導體光探測器 253 9.4.1 光電二極管 253 9.4.2 PlN光探測器 254 9.4.3 光電導探測器 256 9.5 半導體雪崩光電二極管（APD） 257 9.5.1 APD的原理與結(jié)構(gòu) 257 9.5.2 APD的噪聲特性 261 9.5.3 APD的倍增率（或倍增因子） 263 9.5.4 APD的響應速度 263 9.5.5 低電壓工作的APD 264 9.6 量子阱光探測器 265 9.6.1 量子阱雪崩倍增二極管 265 9.6.2 基于量子阱子能級躍遷的中/遠紅外探測器 266 9.6.3 基于量子限制斯塔克效應的電吸收調(diào)制器 267 思考與習題 270 參考文獻 271 第10章 半導體光電子器件集成 273 10.1 概述 273 10.1.1 集成電路的啟示 273 10.1.2 由電子與光子所具有的并行性和互補性應為PIC或OEIC出現(xiàn)的邏輯推理 273 10.1.3 PIC和OEIC的發(fā)展 274 10.1.4 需求對光子集成或光電子集成的強力拉動 275 10.2 制約光子集成和光電子集成發(fā)展的某些因素 276 10.2.1 制約光子集成或光電子集成發(fā)展的因素 276 10.2.2 發(fā)展光子集成或光電子集成的某些啟示 277 10.3 幾種常用的光子集成手段 280 10.3.1 對接再生長 280 10.3.2 選區(qū)外延生長 281 10.3.3 量子阱混合 281 10.3.4 鍵合 282 10.3.5 雙波導集成 282 10.4 某些推動光子集成發(fā)展的潛在科學技術(shù) 283 10.4.1 微環(huán)諧振腔 283 10.4.2 光子晶體 286 10.4.3 表面等離子體激元（SPP） 289 10.4.4 超材料、超表面及其在光電集成中的應用 295 思考與習題 301 參考文獻 302 附錄A 薛定諤方程與一維方勢阱 306 附錄B 半導體的電子能帶結(jié)構(gòu) 310