光子器件物理

第1章 绪论1.1 半导体能带的基本概念和键合图1.2 半导体激光器的发明1.3 光电子学领域1.4 本书概述习题参考文献参考书目第I部分 基 础 理 论第2章 半导体电子学基础2.1 麦克斯韦方程组和边界条件2.1.1 MKS单位的麦克斯韦方程组2.1.2 边界条件2.1.3 准静电场2.2 半导体电子学方程组2.2.1 泊松方程2.2.2 连续性方程组2.2.3 载流子输运方程2.2.4 辅助关系2.2.5 边界条件2.3 半导体中的产生和复合2.3.1 辐射跃迁的带间产生-复合过程2.3.2 非辐射跃迁的产生-复合过程2.3.3 本征量子效率2.3.4 受激辐射过程引起的复合2.3.5 碰撞电离产生-复合过程2.4 产生-复合在光电子器件中的应用及举例2.4.1 均匀光注入2.4.2 非均匀载流子产生2.5 半导体p-N和n-P异质结2.5.1 无偏置p-N结的耗尽近似2.5.2 偏置p-N结2.5.3 准费米能级和少数载流子注入2.5.4 电流密度和I-V特性2.5.5 半导体n-P异质结2.6 半导体n-N异质结和金属-半导体结2.6.1 半导体n-N异质结2.6.2 金属-半导体结习题参考文献第3章 量子力学基础3.1 薛定谔方程3.2 方势阱3.2.1 无限高势垒模型3.2.2 有限高势垒模型3.3 谐振子3.4 氢原子及二维和三维空间中的激子3.4.1 三维解3.4.2 二维解3.5 与时间无关的微扰理论3.5.1 微扰法3.5.2 矩阵表述3.6 与时间有关的微扰理论附录3A L?wdin再归一化(renormalization)方法习题参考文献第4章 半导体中的电子能带结构理论4.1 布洛赫定理和简单能带的kp方法4.1.1 单一能带的kp理论4.1.2 二能带（或非简并多能带）模型的kp理论4.2 能带结构的Kane模型：考虑自旋-轨道相互作用的kp方法4.2.1 函数unk(r)的薛定谔方程4.2.2 基函数和哈密顿矩阵4.2.3 哈密顿矩阵的本征值和本征函数的解4.2.4 本征能量和对应带边基函数总结4.2.5 一般坐标方向4.3 Luttinger-Kohn模型：简并能带的kp方法4.3.1 哈密顿量和基函数4.3.2 利用L?wdin微扰法的哈密顿量的解4.3.3 总结4.4 单一能带和简并能带的有效质量理论4.4.1 单一能带的有效质量理论4.4.2 简并能带的有效质量理论4.5 应变对能带结构的影响4.5.1 应变半导体的Pikus-Bir哈密顿量4.5.2 无自旋-轨道分裂带耦合的能带结构4.5.3 具有自旋-轨道分裂带耦合的应变半导体的能带结构4.6 任意一维势中的电子态4.6.1 传输矩阵方程的推导及其本征值求解4.6.2 调制掺杂量子阱的自洽解4.6.3 n型调制掺杂量子阱4.6.4 p型调制掺杂量子阱4.6.5 电子和空穴布居数4.7 超晶格的Kronig-Penney模型4.7.1 传输矩阵的推导4.7.2 本征值和本征矢的解4.8 半导体量子阱的能带结构4.8.1 导带4.8.2 价带4.8.3 子带色散的直接实验测量4.8.4 Luttinger-Kohn哈密顿量的块对角化(Block Diagonalization)4.8.5 Luttinger-Kohn哈密顿量的轴向近似4.8.6 2×2上哈密顿量解的数值方法4.8.7 2×2下哈密顿量解的数值方法4.9 应变半导体量子阱的能带结构4.9.1 应变量子阱的子带能量4.9.2 应变量子阱的价带子带能量色散习题参考文献第II部分 光 的 传 输第5章 电磁学和光的传输5.1 时谐场和对偶原理5.1.1 时谐场5.1.2 电磁学中的对偶原理5.2 坡印廷定理和倒易关系5.2.1 坡印廷定理5.2.2 倒易关系5.3 均匀介质中麦克斯韦方程组的平面波解5.4 光在各向同性介质中的传输5.5 有损耗介质中的波传输：洛伦兹振子模型和金属等离子体5.5.1 半导体中的传输常数和折射率5.5.2 洛伦兹偶极子模型5.5.3 导电介质5.6 平面波在界面的反射5.6.1 TE偏振5.6.2 TM偏振5.6.3 平面波传输的阻抗概念5.7 矩阵光学5.8 平面波在多层介质反射的传输矩阵法5.9 周期介质中的波传输5.9.1 色散图和阻带5.9.2 平面波在分布布拉格反射器上的反射附录5A Kramers-Kronig关系习题参考文献第6章 光在各向异性介质中的传输和辐射6.1 光在单轴介质中的传输6.1.1 场解6.1.2 k波面6.1.3 折射率椭球6.1.4 应用6.2 旋光介质中的波传输：磁光效应6.3 麦克斯韦方程组的通解和规范变换6.4 辐射场和远场图样6.4.1 辐射场的一般表达式6.4.2 远场近似习题参考文献第7章 光波导理论7.1 对称介质平板波导7.1.1 TE偏振的电场和导波条件的推导7.1.2 图解导波条件7.1.3 截止条件7.1.4 低频极限和高频极限7.1.5 传输常数kz和有效折射率neff7.1.6 AlxGa1-xAs体系的折射率7.1.7 光学模式的归一化常数7.1.8 光限制因子Γ7.1.9 TM模H=y Hy7.2 非对称介质平板波导7.2.1 TE偏振，E=y Ey7.2.2 TM偏振，H=y Hy7.3 波导问题的射线光学方法7.4 矩形介质波导7.4.1 HEpq模（或Ey(p 1)(q 1)模）7.4.2 EHpq模（或Ex(p 1)(q 1)模）7.5 有效折射率法7.6 损耗或增益介质中的波传导7.7 表面等离子体波导7.7.1 单一界面的表面等离子体模式7.7.2 金属平板中的表面等离子体模式习题参考文献第8章 耦合模理论8.1 波导耦合器8.1.1 横向耦合器8.1.2 棱镜耦合器8.1.3 光栅耦合器8.2 耦合光波导8.2.1 耦合模理论的一般公式表述8.2.2 本征解8.2.3 耦合波导的通解8.3 光波导耦合器的应用8.3.1 光波导开关8.3.2 Δβ耦合器8.4 光环形谐振器和分插滤波器8.4.1 波导环形谐振器系统的公式表述8.4.2 光分插滤波器8.4.3 耦合环光波导(CROW)结构8.5 分布反馈(DFB)结构8.5.1 耦合模方程的推导8.5.2 耦合模方程的本征解8.5.3 DFB结构的反射和透射附录8A 平行波导的耦合系数附录8B 改进的耦合模理论习题参考文献第III部分 光 的 产 生第9章 半导体中的光学过程9.1 利用费米黄金定则的光跃迁9.1.1 电子-光子相互作用哈密顿量9.1.2 由电子-光子相互作用引起的跃迁率9.1.3 光吸收系数9.1.4 介电常数的实部和虚部9.2 自发辐射和受激辐射9.2.1 光子的态密度9.2.2 受激辐射和自发辐射：爱因斯坦A系数和B系数9.2.3 光增益和自发辐射谱的推导9.3 体半导体的带间吸收和增益9.3.1 带间光学矩阵元的计算和k选择定则9.3.2 光吸收谱9.3.3 光增益谱9.4 量子阱中的带间吸收和增益9.4.1 量子阱的带间光学矩阵元9.4.2 联合态密度和光吸收谱9.4.3 准费米能级的确定9.4.4 增益谱总结9.4.5 理论增益谱及其和实验的比较9.5 体半导体和量子阱半导体的带间动量矩阵元9.5.1 体半导体的动量矩阵元9.5.2 量子阱的动量矩阵元9.6 量子点和量子线9.6.1 量子点9.6.2 量子线9.7 子带间吸收9.7.1 子带间偶极矩9.7.2 子带间吸收谱9.7.3 实验结果9.7.4 子带间量子级联激光器9.8 考虑价带混合效应的量子阱激光器的增益谱9.8.1 考虑价带混合效应的增益谱的一般公式表述9.8.2 动量矩阵元的计算9.8.3 增益谱的最终表达式和数值例子9.8.4 自发辐射谱和辐射电流密度附录9A 基函数的坐标变换和动量矩阵元习题参考文献第10章 半导体激光器基础10.1 双异质结半导体激光器10.1.1 能带图和载流子注入10.1.2 阈值条件10.1.3 光功率输出：粗略推导10.1.4 发光二极管和激光二极管：自发辐射和放大自发辐射所扮演的角色10.1.5 放大自发辐射和光增益测量10.2 增益导引和折射率导引半导体激光器10.2.1 条形结构增益导引半导体激光器10.2.2 折射率导引半导体激光器10.3 量子阱激光器10.3.1 一个简化的增益模型10.3.2 电子和空穴准费米能级的确定10.3.3 零温度增益谱10.3.4 有限温度增益谱10.3.5 峰值增益系数与载流子浓度的关系10.3.6 多量子阱激光器的标度率10.4 应变量子阱激光器10.4.1 有效质量对增益和透明载流子浓度的影响10.4.2 应变对带边能量的影响

　　本书是美国伊利诺伊大学庄顺连教授的著作。全书共15章， 主要内容包括： 光子器件的理论基础，即量子力学和半导体物理；光传输的电磁场理论、光在各向异性介质中的传输、光波导理论和耦合模理论；半导体中的光学过程、半导体激光器基础和先进半导体激光器；半导体激光器的直接调制、电光调制器、声光调制器和电吸收调制器；光的探测和太阳能电池。全书着重从物理概念上解释了关键光子器件的工作原理、主要结构以及最新的研究进展， 不但特别强调了光子器件的理论，给出了严格的理论推导， 而且还给出了理论和实验结果的比较。每一章末尾列出了主要参考资料， 并附有习题。