本書以通用光通信以及對半導體激光器的需求開始,通過討論激光器的基礎理論,轉入半導體的有關詳細內容。書中包含光學腔、調制、分布反饋以及半導體激光器電學性能的章節(jié),此外還涵蓋激光器制造和可靠性的主題。
本書可供半導體激光器、通信類研發(fā)人員、工程師參考使用,也適用于高年級本科生或研究生,作為主修的半導體激光器的課程,亦可作為光子學、光電子學或光通信課程的教材。
賈曉霞,江蘇華芯半導體科技有限公司,經理、工程師,2005/07–2013/5:海特光電有限責任公司 | 研發(fā)部經理
從GaAs基半導體激光器和InP基光電探測器的解理工藝工程師開始,逐步學習半導體激光器的各種工藝技術,工藝改進,提升了耦合工藝線和列陣工藝線的產品成品率,生產效率和產品的一致性,在2008年底,被評為海特公司先進工作者。此后作為技術主管,主要負責半導體激光器芯片和光電探測器芯片的所有工藝,并承擔研發(fā)部的芯片項目開發(fā)。后期擔任研發(fā)部經理,主要負責公司半導體激光器芯片和光電探測器芯片的研發(fā)以及生產管理。完成多項國家項目,780nm半導體激光器列陣20w,100w項目,635nm紅光大功率半導體激光器,980nm系列大功率半導體激光器,808nm 5w大功率半導體激光器等。
2013/6-2016/5山西飛虹激光科技有限公司,擔任常務副總,建設起一條激光器生產線并實現量產。
2016/6-今 江蘇華芯激光科技有限公司,經理。
1緒論:光通信基礎知識1
1.1概述1
1.2光通信簡介1
1.2.1光通信基礎1
1.2.2重要的巧合3
1.2.3光放大器4
1.2.4完整的技術5
1.3半導體激光器圖片5
1.4本書結構7
1.5問題8
2激光器的基礎知識9
2.1概述9
2.2激光器簡介9
2.2.1黑體輻射9
2.2.2黑體輻射的統(tǒng)計熱力學觀點11
2.2.3幾種概率分布函數11
2.2.4態(tài)密度12
2.2.5黑體光譜15
2.3黑體輻射:愛因斯坦的觀點16
2.4激射的含義18
2.5自發(fā)輻射、受激輻射和激射之間的差異20
2.6一些激射系統(tǒng)例子21
2.6.1摻鉺光纖激光器21
2.6.2氦-氖氣體激光器21
2.7小結23
2.8問題24
2.9習題25
3半導體激光材料1:基礎26
3.1概述26
3.2能帶和輻射復合26
3.3半導體激光器材料體系28
3.4確定帶隙30
3.4.1Vegard定律:三元化合物31
3.4.2Vegard定律:四元化合物32
3.5晶格常數、應變和臨界厚度33
3.5.1薄膜外延生長34
3.5.2應變和臨界厚度34
3.6直接和間接帶隙37
3.6.1色散圖37
3.6.2色散圖的特點40
3.6.3直接和間接帶隙40
3.6.4聲子41
3.7小結43
3.8問題43
3.9習題44
4半導體激光材料2:態(tài)密度、量子阱和增益46
4.1概述46
4.2半導體中電子和空穴的密度46
4.2.1方程式(4.9)的變換:有效質量48
4.2.2方程式(4.9)的變換:包含帶隙50
4.3量子阱激光材料51
4.3.1理想量子阱中的能級52
4.3.2實際量子阱中的能級54
4.4量子阱中的態(tài)密度55
4.5載流子數57
4.5.1準費米能級57
4.5.2空穴數與電子數58
4.6激射條件59
4.7光增益60
4.8半導體光增益61
4.8.1聯合態(tài)密度62
4.8.2占據因子63
4.8.3比例常數64
4.8.4線寬展寬64
4.9小結65
4.10學習要點66
4.11問題66
4.12習題67
5半導體激光器的運行70
5.1概述70
5.2簡單的半導體激光器71
5.3激光器的定性模型71
5.4吸收損失74
5.4.1帶間和自由載流子吸收75
5.4.2能帶-雜質吸收76
5.5速率方程模型77
5.5.1載流子壽命79
5.5.2穩(wěn)態(tài)的重要性80
5.5.3增益和光子壽命的單位81
5.5.4斜率效率83
5.6腔面鍍膜器件84
5.7完整DC分析87
5.8小結89
5.9問題90
5.10習題91
6半導體激光器電學性質94
6.1概述94
6.2p-n結基礎94
6.2.1載流子密度作為費米能級位置的函數95
6.2.2p-n結中的能帶結構和電荷98
6.2.3非偏p-n結中的電流100
6.2.3.1擴散電流100
6.2.3.2漂移電流100
6.2.4內置電壓101
6.2.5空間電荷區(qū)寬度102
6.3外加偏置的半導體p-n結104
6.3.1外加偏置和準費米能級104
6.3.2復合和邊界條件105
6.3.3少子準中性區(qū)擴散電流108
6.4半導體激光器p-n結110
6.4.1二極管理想因子110
6.4.2閾值處的固定準費米能級110
6.5二極管特性總結111
6.6激光器的金屬接觸112
6.6.1能級定義112
6.6.2能帶結構114
6.7激光器歐姆接觸的實現117
6.7.1金屬-半導體結中的電流傳導:熱離子發(fā)射118
6.7.2金屬-半導體結中的電流傳導:隧穿電流119
6.7.3二極管電阻和接觸電阻的測量120
6.8小結121
6.9問題122
6.10習題123
7光學腔125
7.1概述125
7.2本章概述126
7.3法布里-珀羅光腔概述127
7.4激光腔支持的光學縱模128
7.4.1標準具支持的光學模式:一維激光腔128
7.4.2長標準具的自由光譜范圍129
7.4.3法布里-珀羅激光器腔體中的自由光譜范圍131
7.4.4法布里-珀羅激光器的光學輸出133
7.4.5縱模134
7.5基于光譜的增益計算135
7.6光腔中的橫向模式137
7.6.1真實激光器中橫向模式的重要性138
7.6.2全反射140
7.6.3橫向電場和橫向磁場模式141
7.6.4波導模式的定量分析142
7.7二維波導設計146
7.7.1二維限制146
7.7.2有效折射率方法146
7.7.3針對激光器的波導設計148
7.8小結149
7.9問題150
7.10習題150
8激光器調制153
8.1概述:數字和模擬光傳輸153
8.2數字傳輸規(guī)格154
8.3激光器小信號調制155
8.3.1小信號調制的測量156
8.3.2LED的小信號調制157
8.3.3回顧激光器速率方程159
8.3.4小信號均勻激光器響應的推導161
8.3.5小信號激光器均勻響應163
8.4激光器AC電流調制164
8.4.1推導大綱164
8.4.2激光器調制的測量和方程165
8.4.3激光器調制響應分析167
8.4.4時間常數效應示范169
8.5激光器帶寬的極限170
8.6相對強度噪聲測量172
8.7大信號調制173
8.7.1眼圖建模174
8.7.2激光器系統(tǒng)注意事項175
8.8小結176
8.9學習要點176
8.10問題177
8.11習題178
9分布反饋激光器180
9.1單波長激光器180
9.2單波長激光器的必要性181
9.2.1單波長器件的實現183
9.2.2窄增益介質183
9.2.3高自由光譜范圍和中等增益帶寬183
9.2.4外部布拉格反射器185
9.3分布反饋激光器:概述186
9.3.1分布反饋激光器:物理結構186
9.3.2布拉格波長和耦合188
9.3.3單位往返增益188
9.3.4增益包封189
9.3.5分布反饋激光器:設計與制作190
9.3.6分布反饋激光器:零凈相位191
9.4分布反饋激光器的實驗數據194
9.4.1相位對閾值電流的影響194
9.4.2相位對腔體功率分布及斜率的影響194
9.4.3相位對單模良率的影響196
9.5建模分布反饋激光器198
9.6耦合模式理論201
9.6.1衍射的直觀圖像201
9.6.2分布反饋激光器的耦合模式理論202
9.6.3測量κ206
9.7固有單模激光器207
9.8其他類型的光柵208
9.9學習要點209
9.10問題210
9.11習題210
10其他:色散,制造及可靠性212
10.1概述212
10.2色散和單模器件213
10.3激光器的溫度效應215
10.3.1波長的溫度效應215
10.3.2直流特性的溫度效應216
10.4激光器制造:晶圓生長,晶圓制造,芯片制造與測試219
10.4.1襯底晶圓制造219
10.4.2激光器設計220
10.4.3異質結構生長221
10.4.3.1異質結構生長:分子束外延221
10.4.3.2異質結構生長:金屬有機物化學氣相沉積221
10.5光柵制作223
10.5.1光柵制作223
10.5.2光柵二次生長224
10.6晶圓制造225
10.6.1晶圓制造:脊形波導225
10.6.2晶圓制造:掩埋異質結構與脊形波導226
10.6.3晶圓制造:垂直腔面發(fā)射激光器228
10.7芯片制造230
10.8晶圓測試和良率231
10.9可靠性232
10.9.1單個器件測試和失效模式233
10.9.2失效的定義234
10.9.3老化速率的阿倫尼烏斯關系234
10.9.4老化速率,FIT和MTBF分析235
10.10結束語237
10.11小結238
10.12問題239
10.13習題239
附錄241
附錄1國際單位制詞頭(SI詞頭)241
附錄2單位換算表242
附錄3常用物理量242
附錄4中英文詞匯對照表243
參考文獻247