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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-LD130

6．4 λ／4相移的DFB-LD132

6．5 增益耦合DFB-LD134

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VCSE187

7．5．5 可见光VCSEL188

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