目 錄 緒論 1 第1章 半導(dǎo)體中光子-電子的相互作用 4 1.1 半導(dǎo)體中量子躍遷的特點(diǎn) 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(jí)和與其相對(duì)的能帶之間的躍遷 11 1.2.4 重?fù)诫s時(shí)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(dǎo)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(dǎo)體中的載流子復(fù)合 26 1.6.1 自發(fā)輻射復(fù)合速率 27 1.6.2 俄歇（Auger）復(fù)合 31 1.7 增益系數(shù)與電流密度的關(guān)系 36 思考與習(xí)題 42 參考文獻(xiàn) 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(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用 49 2.2.1 在半導(dǎo)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(cè)器中的應(yīng)用 50 2.3 異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 50 2.4 對(duì)注入激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求 55 2.4.1 從激射波長(zhǎng)出發(fā)來(lái)選擇半導(dǎo)體激光器的有源材料 56 2.4.2 從晶格匹配來(lái)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(dǎo)效應(yīng)來(lái)選擇半導(dǎo)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(duì)載流子的限制 63 2.5.1 異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘對(duì)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(duì)半導(dǎo)體激光器的影響 69 思考與習(xí)題 70 參考文獻(xiàn) 70 第3章 平板介質(zhì)光波導(dǎo)理論 72 3.1 光波的電磁場(chǎng)理論 72 3.1.1 基本的電磁場(chǎng)理論 72 3.1.2 光學(xué)常數(shù)與電學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系 73 3.2 光在平板介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸特性 78 3.2.1 平板介質(zhì)波導(dǎo)的波動(dòng)光學(xué)分析方法 78 3.2.2 平板介質(zhì)波導(dǎo)的射線分析法 84 3.3 矩形介質(zhì)波導(dǎo) 91 思考與習(xí)題 95 參考文獻(xiàn) 96 第4章 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)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(chǔ)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(dǎo)體激光器 102 4.3.3 雙異質(zhì)結(jié)激光器 103 4.4 條形半導(dǎo)體激光器 105 4.4.1 條形半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn) 105 4.4.2 條形激光器中的側(cè)向電流擴(kuò)展和側(cè)向載流子擴(kuò)散 106 4.5 條形激光器中的增益光波導(dǎo) 111 4.5.1 概述 111 4.5.2 增益波導(dǎo)的數(shù)學(xué)分析 112 4.5.3 增益波導(dǎo)激光器中的像散、K因子 117 4.5.4 側(cè)向折射率分布對(duì)增益波導(dǎo)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(dǎo)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(xí)題 134 參考文獻(xiàn) 135 第5章 半導(dǎo)體激光器的性能 137 5.1 半導(dǎo)體激光器的閾值特性 137 5.1.1 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)對(duì)其閾值的影響 137 5.1.2 半導(dǎo)體激光器的幾何尺寸對(duì)閾值電流密度的影響 138 5.1.3 溫度對(duì)閾值電流的影響 141 5.2 半導(dǎo)體激光器的效率 142 5.3 半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)特性的影響 148 5.4 半導(dǎo)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(yīng)對(duì)單模功率的限制 155 5.4.5 溫度對(duì)模譜的影響 156 5.4.6 單縱模激光器 157 5.5 半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的線寬 159 5.5.3 與輸出功率無(wú)關(guān)的線寬 161 5.5.4 增益飽和與線寬 161 5.6 半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性 162 5.6.1 瞬態(tài)響應(yīng)的物理模型 162 5.6.2 速率方程 163 5.6.3 延遲時(shí)間td 164 5.6.4 對(duì)半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的退化和失效 171 5.7.1 半導(dǎo)體激光器的工作方式 171 5.7.2 半導(dǎo)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(duì)半導(dǎo)體激光器退化的影響 175 思考與習(xí)題 175 參考文獻(xiàn) 176 第6章 低維量子半導(dǎo)體材料 178 6.1 概述 178 6.2 量子阱的基本理論和特點(diǎn) 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(yīng)變量子阱 185 6.3 量子阱半導(dǎo)體激光器 187 6.3.1 概述 187 6.3.2 單量子阱（SQW）半導(dǎo)體激光器 188 6.3.3 多量子阱（MQW）半導(dǎo)體激光器 189 6.3.4 量子級(jí)聯(lián)激光器 191 6.4 量子線與量子點(diǎn) 192 6.4.1 量子線和量子點(diǎn)基本理論 192 6.4.2 量子線和量子點(diǎn)制備方法 194 6.4.3 量子點(diǎn)的定位生長(zhǎng) 195 6.4.4 硅基異質(zhì)外延的量子點(diǎn)及激光器 196 思考與習(xí)題 199 參考文獻(xiàn) 199 第7章 半導(dǎo)體光放大器（SOA） 202 7.1 概述 202 7.2 半導(dǎo)體光放大器的性能要求 204 7.2.1 半導(dǎo)體光放大器的增益特性 205 7.2.2 半導(dǎo)體光放大器的噪聲特性 210 7.2.3 半導(dǎo)體光放大器的耦合特性[7] 211 7.3 半導(dǎo)體光放大器應(yīng)用展望 212 7.3.1 半導(dǎo)體光放大器在光纖通信傳輸網(wǎng)上的應(yīng)用 213 7.3.2 半導(dǎo)體光放大器在全光信號(hào)處理中的應(yīng)用 214 思考與習(xí)題 217 參考文獻(xiàn) 218 第8章 可見光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件 219 8.1 概述 219 8.2 紅光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件 222 8.2.1 紅光半導(dǎo)體材料 222 8.2.2 紅光半導(dǎo)體激光器 224 8.2.3 紅光發(fā)光二極管 226 8.3 藍(lán)/綠光半導(dǎo)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(dǎo)體光發(fā)射材料 229 8.3.3 藍(lán)/綠光半導(dǎo)體光發(fā)射器件 232 思考與習(xí)題 233 參考文獻(xiàn) 234 第9章 半導(dǎo)體中的光吸收和光探測(cè)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(dǎo)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(dǎo)體光電探測(cè)器的材料和性能參數(shù) 250 9.3.1 常用的半導(dǎo)體光電探測(cè)器材料 250 9.3.2 半導(dǎo)體光電探測(cè)器的性能參數(shù) 250 9.4 無(wú)內(nèi)部倍增的半導(dǎo)體光探測(cè)器 253 9.4.1 光電二極管 253 9.4.2 PlN光探測(cè)器 254 9.4.3 光電導(dǎo)探測(cè)器 256 9.5 半導(dǎo)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(yīng)速度 263 9.5.5 低電壓工作的APD 264 9.6 量子阱光探測(cè)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(jí)躍遷的中/遠(yuǎn)紅外探測(cè)器 266 9.6.3 基于量子限制斯塔克效應(yīng)的電吸收調(diào)制器 267 思考與習(xí)題 270 參考文獻(xiàn) 271 第10章 半導(dǎo)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(bǔ)性應(yīng)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(duì)光子集成或光電子集成的強(qiáng)力拉動(dòng) 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(duì)接再生長(zhǎng) 280 10.3.2 選區(qū)外延生長(zhǎng) 281 10.3.3 量子阱混合 281 10.3.4 鍵合 282 10.3.5 雙波導(dǎo)集成 282 10.4 某些推動(dòng)光子集成發(fā)展的潛在科學(xué)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(yīng)用 295 思考與習(xí)題 301 參考文獻(xiàn) 302 附錄A 薛定諤方程與一維方勢(shì)阱 306 附錄B 半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu) 310