光电子器件设计、建模与仿真

译者序前言

第 1章绪论·1

1.1 器件的物理基础 1

1.2 建模和仿真方法 1

1.3 建模研究对象·2

1.4 器件建模技术·3

1.5 本书主要内容·4

第 2章光学模型 5

2.1 有源介质中的波动方程·5

2.1.1 麦克斯韦方程组5

2.1.2 波动方程·6

2.2 时域内约化的波动方程·8

2.3 空域内约化的波动方程·9

2.4 时域与空域内同时约化的波动方程——行波光场模型 10

2.4.1 完全限制结构中的波动方程 10

2.4.2 部分限制结构中的波动方程 15

2.4.3 周期性波纹结构中的波动方程 18

2.5 宽带行波光场模型 26

2.5.1 直接卷积模型 · 27

2.5.2 等效布洛赫方程模型 29

2.5.3 波段分割模型 · 31

2.6 时空分离的驻波光场模型· 34

2.7 光子速率方程和相位方程——光场行为模型 40

2.8 自发辐射噪声的处理 40 参考文献 44

第 3章材料模型 I：半导体能带结构 · 47

3.1 体材料半导体中的单电子能带 47

3.1.1 薛定谔方程和哈密顿算符 47

3.1.2 布洛赫定理和能带结构 49 3.1.3 k = 0处的解—— KAne模型 57

3.1.4 k≠0处的解—— Luttinger-Kohn模型 63

3.1.5 4×4哈密顿算符和轴向近似下的解· 68

3.1.6 不同半导体材料的哈密顿算符 71

3.2 半导体量子阱结构中的单电子能带 72

3.2.1 有效质量理论和约束方程 72

3.2.2 导带(无简并) · 75

3.2.3 价带(有简并) · 76

3.2.4 量子阱能带结构 · 78

3.3 应变层结构中的单电子能带 82

3.3.1 一般性方法 · 82

3.3.2 应变体材料半导体· 84

3.3.3 应变量子阱结构 · 85

3.3.4 闪锌矿结构的半导体 86

3.4 k-p理论总结 88 参考文献 89

第 4章材料模型 II：光学增益 92

4.1 考虑多体效应的综合模型· 92

4.1.1 引言 92

4.1.2 海森堡方程 · 93

4.1.3 综合模型 93

4.1.4 一般性约束方程 · 98

4.2 自由载流子模型——零阶解 · 108

4.2.1 自由载流子模型 108

4.2.2 载流子速率方程 109

4.2.3 极化激元的速率方程 · 112

4.2.4 极化率 113

4.3 屏蔽的库仑相互作用模型——一阶解· 113

4.3.1 屏蔽的库仑相互作用模型· 113

4.3.2 屏蔽的库仑势 115

4.3.3 零注入和激子吸收情形下的解 118

4.3.4 任意注入情形下的解 · 122

4.4 多体相关模型——二阶解 125

4.4.1 多体相关模型 125

4.4.2 半解析解 125 4.4.3 全数值解 127 参考文献 · 131

第 5章载流子输运和热扩散模型 · 133

5.1 载流子输运模型 133

5.1.1 泊松方程和载流子连续性方程 133

5.1.2 非有源区的漂移和扩散模型 134

5.1.3 有源区的载流子输运模型· 135

5.1.4 载流子输运模型的简化 · 139

5.1.5 自由载流子输运模型 · 141

5.1.6 复合速率 142

5.2 载流子速率方程模型 144

5.3 热扩散模型· 145

5.3.1 经典热扩散模型 145

5.3.2 一维热扩散模型 148 参考文献 · 148

第 6章光学方程的求解方法 151

6.1 横截面上的光场模式 151

6.2 行波方程 152

6.2.1 有限差分法 152

6.2.2 分步交替法 160

6.2.3 由数字滤波器实现的时域卷积 165

6.3 驻波方程 167 参考文献 · 173

第 7章材料增益方程的求解方法 · 176

7.1 单电子能带结构 176

7.2 材料增益计算 176

7.2.1 自由载流子增益模型 · 176

7.2.2 屏蔽的库仑相互作用增益模型 181

7.2.3 多体增益模型 181

7.3 材料模型的参量化 · 186 参考文献 · 187

第 8章载流子输运和热扩散方程的求解方法 189

8.1 静态载流子输运方程 189

8.1.1 尺度换算 190 8.1.2 边界条件 191

8.1.3 初始解 192

8.1.4 有限差分离散化 193

8.1.5 非线性代数方程的求解 · 202

8.2 瞬时载流子输运方程 205

8.3 载流子速率方程 206

8.4 热扩散方程· 206 参考文献 · 208

第 9章器件性能的数值分析 210

9.1 一般方法 210

9.1.1 材料增益的处理 210

9.1.2 准三维处理 212

9.2 器件性能分析 213

9.2.1 稳态分析 213

9.2.2 小信号动态分析 215

9.2.3 大信号动态分析 217

9.3 模型的标定和验证 · 218 参考文献 · 221

第 10章半导体激光器的设计和模拟实例 223

10.1 增益优化的有源区结构设计和模拟 223

10.1.1有源区材料· 223

10.1.2有源区结构· 227

10.2 光场和载流子限制优化的横截面结构设计和模拟· 230

10.2.1横截面叠层设计的一般考虑 230

10.2.2脊波导结构· 232

10.2.3掩埋异质结结构 235

10.2.4脊波导与掩埋异质结结构的比较 · 238

10.3 激射振荡优化的腔结构设计和模拟 239

10.3.1 FAbry-Perot激光器 239

10.3.2通过光栅设计实现不同耦合机制的分布反馈激光器 242

10.3.3多段结构激光器的设计 249 参考文献 · 253

第 11章其他单一光电器件的设计和模拟实例 · 257

11.1 电吸收调制器 · 257 11.1.1器件结构 · 257

11.1.2材料特性和器件性能模拟 258

11.1.3高消光比和低插入损耗的设计 · 263

11.1.4偏振无关吸收的设计 265

11.2 半导体光放大器 267

11.2.1器件结构 · 267

11.2.2性能模拟 · 268

11.2.3提高性能的设计 272

11.3 超辐射发光二极管 272

11.3.1器件结构 · 272

11.3.2性能模拟 · 273

11.3.3提高性能的设计 275 参考文献 · 278

第 12章集成光电器件的设计与模拟实例 281

12.1 集成半导体分布反馈激光器与电吸收调制器 281

12.1.1器件结构 · 281

12.1.2集成界面 · 283

12.1.3分布反馈激光器性能模拟 284

12.1.4电吸收调制器性能模拟 285

12.2 集成半导体分布反馈激光器与监测光探测器 288

12.2.1器件结构 · 288

12.2.2激光器性能模拟 291

12.2.3信道间串扰的模拟 292 参考文献 · 296

附录 A Lowdin重整化理论 298

附录 B 多体增益模型中的积分 300

附录 C 5阶 Runge-KuttA方法的 CAsh-KArp实现 · 312

附录 D 稀疏线性方程的解法 313

D.1 直接法 313

D.2 迭代法 315 参考文献 · 319

光电子器件设计、建模与仿真系统介绍半导体光电子器件设计中的物理模型和数值分析方法。全书共12 章，主要分为三部分。第1部分为第2～5 章，涵盖光电子器件中描述各相关物理过程的主导方程的推导和解释；第二部分为第6～9 章，介绍第1部分所涉及的主导方程的数值求解技术，并讲解将其整合应用于器件仿真中的方法；第三部分为第10～12 章，提供基于前述建模和求解技术的光电子器件设计与仿真实例，包括半导体激光器、电吸收调制器、半导体光放大器、超辐射发光二极管等，以及这些器件的单片集成。