光子器件物理（第二版）

全書著重從物理概念上解釋了關鍵光子器件的工作原理、主要結構以及最新的研究進展， 不但特彆強調了光子器件的理論， 給出了嚴格的理論推導， 而且還給出了理論和實驗結果的比較。每一章末尾列出了主要參考資料， 並附有習題。

全書共15章， 主要內容包括： 光子器件的理論基礎， 即量子力學和半導體物理；光傳輸的電磁場理論、光在各向異性介質中的傳輸、光波導理論和耦合模理論；半導體中的光學過程、半導體雷射器基礎和先進半導體雷射器； 半導體雷射器的直接調製、電光調製器、聲光調製器和電吸收調製器； 光的探測和太陽能電池。

基本介紹

• 書名：光子器件物理（第二版）
• 作者：賈東方,王肇穎,桑梅 等 
• ISBN：9787121192975
• 出版社：電子工業出版社
• 出版時間：2013-01-01

圖書內容

本書是美國伊利諾伊大學莊順連教授的著作。全書共15章， 主要內容包括： 光子器件的理論基礎， 即量子力學和半導體物理；光傳輸的電磁場理論、光在各向異性介質中的傳輸、光波導理論和耦合模理論；半導體中的光學過程、半導體雷射器基礎和先進半導體雷射器； 半導體雷射器的直接調製、電光調製器、聲光調製器和電吸收調製器； 光的探測和太陽能電池。

全書著重從物理概念上解釋了關鍵光子器件的工作原理、主要結構以及最新的研究進展， 不但特彆強調了光子器件的理論， 給出了嚴格的理論推導， 而且還給出了理論和實驗結果的比較。每一章末尾列出了主要參考資料， 並附有習題。

目錄

第1章 緒論

1.1 半導體能帶的基本概念和鍵合圖

1.2 半導體雷射器的發明

1.3 光電子學領域

1.4 本書概述

習題

參考文獻

參考書目

第I部分 基 礎 理 論

第2章 半導體電子學基礎

2.1 麥克斯韋方程組和邊界條件

2.1.1 MKS單位的麥克斯韋方程組

2.1.2 邊界條件

2.1.3 準靜電場

2.2 半導體電子學方程組

2.2.1 泊松方程

2.2.2 連續性方程組

2.2.3 載流子輸運方程

2.2.4 輔助關係

2.2.5 邊界條件

2.3 半導體中的產生和複合

2.3.1 輻射躍遷的帶間產生-複合過程

2.3.2 非輻射躍遷的產生-複合過程

2.3.3 本徵量子效率

2.3.4 受激輻射過程引起的複合

2.3.5 碰撞電離產生-複合過程

2.4 產生-複合在光電子器件中的套用及舉例

2.4.1 均勻光注入

2.4.2 非均勻載流子產生

2.5 半導體p-N和n-P異質結

2.5.1 無偏置p-N結的耗盡近似

2.5.2 偏置p-N結

2.5.3 準費米能級和少數載流子注入

2.5.4 電流密度和I-V特性

2.5.5 半導體n-P異質結

2.6 半導體n-N異質結和金屬-半導體結

2.6.1 半導體n-N異質結

2.6.2 金屬-半導體結

習題

參考文獻

第3章 量子力學基礎

3.1 薛丁格方程

3.2 方勢阱

3.2.1 無限高勢壘模型

3.2.2 有限高勢壘模型

3.3 諧振子

3.4 氫原子及二維和三維空間中的激子

3.4.1 三維解

3.4.2 二維解

3.5 與時間無關的微擾理論

3.5.1 微擾法

3.5.2 矩陣表述

3.6 與時間有關的微擾理論

附錄3A Lwdin再歸一化(renormalization)方法

習題

參考文獻

第4章 半導體中的電子能帶結構理論

4.1 布洛赫定理和簡單能帶的kp方法

4.1.1 單一能帶的kp理論

4.1.2 二能帶（或非簡併多能帶）模型的kp理論

4.2 能帶結構的Kane模型：考慮自旋-軌道相互作用的kp方法

4.2.1 函式unk(r)的薛丁格方程

4.2.2 基函式和哈密頓矩陣

4.2.3 哈密頓矩陣的本徵值和本徵函式的解

4.2.4 本徵能量和對應帶邊基函式總結

4.2.5 一般坐標方向

4.3 Luttinger-Kohn模型：簡併能帶的kp方法

4.3.1 哈密頓量和基函式

4.3.2 利用Lwdin微擾法的哈密頓量的解

4.3.3 總結

4.4 單一能帶和簡併能帶的有效質量理論

4.4.1 單一能帶的有效質量理論

4.4.2 簡併能帶的有效質量理論

4.5 應變對能帶結構的影響

4.5.1 應變半導體的Pikus-Bir哈密頓量

4.5.2 無自旋-軌道分裂帶耦合的能帶結構

4.5.3 具有自旋-軌道分裂帶耦合的應變半導體的能帶結構

4.6 任意一維勢中的電子態

4.6.1 傳輸矩陣方程的推導及其本徵值求解

4.6.2 調製摻雜量子阱的自洽解

4.6.3 n型調製摻雜量子阱

4.6.4 p型調製摻雜量子阱

4.6.5 電子和空穴布居數

4.7 超晶格的Kronig-Penney模型

4.7.1 傳輸矩陣的推導

4.7.2 本徵值和本徵矢的解

4.8 半導體量子阱的能帶結構

4.8.1 導帶

4.8.2 價帶

4.8.3 子帶色散的直接實驗測量

4.8.4 Luttinger-Kohn哈密頓量的塊對角化(Block Diagonalization)

4.8.5 Luttinger-Kohn哈密頓量的軸向近似

4.8.6 2×2上哈密頓量解的數值方法

4.8.7 2×2下哈密頓量解的數值方法

4.9 應變半導體量子阱的能帶結構

4.9.1 應變數子阱的子帶能量

4.9.2 應變數子阱的價帶子帶能量色散

習題

參考文獻

第II部分 光 的 傳 輸

第5章 電磁學和光的傳輸

5.1 時諧場和對偶原理

5.1.1 時諧場

5.1.2 電磁學中的對偶原理

5.2 坡印廷定理和倒易關係

5.2.1 坡印廷定理

5.2.2 倒易關係

5.3 均勻介質中麥克斯韋方程組的平面波解

5.4 光在各向同性介質中的傳輸

5.5 有損耗介質中的波傳輸：洛倫茲振子模型和金屬電漿

5.5.1 半導體中的傳輸常數和折射率

5.5.2 洛倫茲偶極子模型

5.5.3 導電介質

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 平面波傳輸的阻抗概念

5.7 矩陣光學

5.8 平面波在多層介質反射的傳輸矩陣法

5.9 周期介質中的波傳輸

5.9.1 色散圖和阻帶

5.9.2 平面波在分布布拉格反射器上的反射

附錄5A Kramers-Kronig關係

習題

參考文獻

第6章 光在各向異性介質中的傳輸和輻射

6.1 光在單軸介質中的傳輸

6.1.1 場解

6.1.2 k波面

6.1.3 折射率橢球

6.1.4 套用

6.2 旋光介質中的波傳輸：磁光效應

6.3 麥克斯韋方程組的通解和規範變換

6.4 輻射場和遠場圖樣

6.4.1 輻射場的一般表達式

6.4.2 遠場近似

習題

參考文獻

第7章 光波導理論

7.1 對稱介質平板波導

7.1.1 TE偏振的電場和導波條件的推導

7.1.2 圖解導波條件

7.1.3 截止條件

7.1.4 低頻極限和高頻極限

7.1.5 傳輸常數kz和有效折射率neff

7.1.6 AlxGa1-xAs體系的折射率

7.1.7 光學模式的歸一化常數

7.1.8 光限制因子Γ

7.1.9 TM模H=y Hy

7.2 非對稱介質平板波導

7.2.1 TE偏振，E=y Ey

7.2.2 TM偏振，H=y Hy

7.3 波導問題的射線光學方法

7.4 矩形介質波導

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 損耗或增益介質中的波傳導

7.7 表面電漿波導

7.7.1 單一界面的表面電漿模式

7.7.2 金屬平板中的表面電漿模式

習題

參考文獻

第8章 耦合模理論

8.1 波導耦合器

8.1.1 橫向耦合器

8.1.2 稜鏡耦合器

8.1.3 光柵耦合器

8.2 耦合光波導

8.2.1 耦合模理論的一般公式表述

8.2.2 本徵解

8.2.3 耦合波導的通解

8.3 光波導耦合器的套用

8.3.1 光波導開關

8.3.2 Δβ耦合器

8.4 光環形諧振器和分插濾波器

8.4.1 波導環形諧振器系統的公式表述

8.4.2 光分插濾波器

8.4.3 耦合環光波導(CROW)結構

8.5 分布反饋(DFB)結構

8.5.1 耦合模方程的推導

8.5.2 耦合模方程的本徵解

8.5.3 DFB結構的反射和透射

附錄8A 平行波導的耦合係數

附錄8B 改進的耦合模理論

習題

參考文獻

第III部分 光 的 產 生

第9章 半導體中的光學過程

9.1 利用費米黃金定則的光躍遷

9.1.1 電子-光子相互作用哈密頓量

9.1.2 由電子-光子相互作用引起的躍遷率

9.1.3 光吸收係數

9.1.4 介電常數的實部和虛部

9.2 自發輻射和受激輻射

9.2.1 光子的態密度

9.2.2 受激輻射和自發輻射：愛因斯坦A係數和B係數

9.2.3 光增益和自發輻射譜的推導

9.3 體半導體的帶間吸收和增益

9.3.1 帶間光學矩陣元的計算和k選擇定則

9.3.2 光吸收譜

9.3.3 光增益譜

9.4 量子阱中的帶間吸收和增益

9.4.1 量子阱的帶間光學矩陣元

9.4.2 聯合態密度和光吸收譜

9.4.3 準費米能級的確定

9.4.4 增益譜總結

9.4.5 理論增益譜及其和實驗的比較

9.5 體半導體和量子阱半導體的帶間動量矩陣元

9.5.1 體半導體的動量矩陣元

9.5.2 量子阱的動量矩陣元

9.6 量子點和量子線

9.6.1 量子點

9.6.2 量子線

9.7 子帶間吸收

9.7.1 子帶間偶極矩

9.7.2 子帶間吸收譜

9.7.3 實驗結果

9.7.4 子帶間量子級聯雷射器

9.8 考慮價帶混合效應的量子阱雷射器的增益譜

9.8.1 考慮價帶混合效應的增益譜的一般公式表述

9.8.2 動量矩陣元的計算

9.8.3 增益譜的最終表達式和數值例子

9.8.4 自發輻射譜和輻射電流密度

附錄9A 基函式的坐標變換和動量矩陣元

習題

參考文獻

第10章 半導體雷射器基礎

10.1 雙異質結半導體雷射器

10.1.1 能帶圖和載流子注入

10.1.2 閾值條件

10.1.3 光功率輸出：粗略推導

10.1.4 發光二極體和雷射二極體：自發輻射和放大自發輻射所扮演的角色

10.1.5 放大自發輻射和光增益測量

10.2 增益導引和折射率導引半導體雷射器

10.2.1 條形結構增益導引半導體雷射器

10.2.2 折射率導引半導體雷射器

10.3 量子阱雷射器

10.3.1 一個簡化的增益模型

10.3.2 電子和空穴準費米能級的確定

10.3.3 零溫度增益譜

10.3.4 有限溫度增益譜

10.3.5 峰值增益係數與載流子濃度的關係

10.3.6 多量子阱雷射器的標度率

10.4 應變數子阱雷射器

10.4.1 有效質量對增益和透明載流子濃度的影響

10.4.2 應變對帶邊能量的影響

10.4.3 應變數子阱的能帶結構

10.4.4 增益-電流密度(G-J)關係

10.5 應變數子點雷射器

10.5.1 量子點結構

10.5.2 自發輻射、增益和激射譜

10.5.3 高速調製：p型摻雜和隧穿注入

10.5.4 量子點半導體光放大器

習題

參考文獻

第11章 先進半導體雷射器

11.1 分布反饋雷射器

11.1.1 DFB雷射器的基本公式表述

11.1.2 通過DFB結構的反射和透射

11.1.3 帶有兩個端面的DFB結構

11.1.4 增益耦合DFB雷射器

11.1.5 相移DFB雷射器

11.1.6 分布布拉格反射(DBR)半導體雷射器

11.2 垂直腔表面發射雷射器

11.2.1 激射條件

11.2.2 載流子注入和光分布：增益導引

11.2.3 氧化型VCSEL：折射率限制

11.2.4 溫度相關性和結髮熱

11.2.5 光輸出和微分量子效率

11.3 微腔和光子晶體雷射器

11.3.1 微腔雷射器的結構

11.3.2 Purcell因子和自發輻射因子

11.3.3 二維光子晶體雷射器

11.3.4 速率方程和L-I曲線

11.4 量子級聯雷射器

11.4.1 I類中紅外量子級聯雷射器結構

11.4.2 速率方程、光增益和閾值電流

11.4.3 量子級聯雷射器的光波導和光學模式

11.4.4 量子級聯雷射器的性能

11.4.5 THz量子級聯雷射器

11.4.6 II類量子級聯雷射器

11.5 GaN基藍-綠光雷射器和發光二極體

11.5.1 纖鋅礦晶體的能帶結構

11.5.2 應變纖鋅礦晶體

11.5.3 纖鋅礦量子阱和極化場

11.5.4 應變纖鋅礦量子阱雷射器的光增益

11.5.5 藍-綠光雷射器和LED

11.5.6 非極性(m平面和a平面)和半極性(r平面)器件

11.6 耦合雷射器陣列

11.6.1 耦合模方程的解

11.6.2 遠場輻射圖樣

附錄11A 應變纖鋅礦晶體的哈密頓量

附錄11B 帶邊光學躍遷矩陣元

習題

參考文獻

第IV部分 光 的 調 制

第12章 半導體雷射器的直接調製

12.1 速率方程和線性增益分析

12.1.1 線性增益理論

12.1.2 小信號調製回響

12.2 考慮非線性增益飽和的高速調製回響

12.2.1 非線性增益飽和

12.2.2 小信號方程的正弦穩態解

12.3 輸運對量子阱雷射器的影響：電調製和光調製

12.4 半導體雷射器的頻譜線寬和線寬增強因子

12.4.1 存在自發輻射時光強和相位的基本方程

12.4.2 功率譜和半導體雷射器頻譜線寬

12.4.3 半導體雷射器的線寬增強因子

12.5 相對強度噪聲譜

習題

參考文獻

第13章 電光和聲光調製器

13.1 電光效應和振幅調製器

13.1.1 電光效應

13.1.2 縱向振幅調製器

13.1.3 橫向振幅調製器

13.2 相位調製器

13.2.1 光相位調製

13.2.2 X-切LiNbO3晶體

13.2.3 Z-切LiNbO3晶體

13.3 波導器件中的電光效應

13.3.1 馬赫-曾德爾干涉儀型波導調製器

13.3.2 定向耦合器型調製器

13.3.3 Δβ倒相定向耦合器

13.4 光通過聲波散射：拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射

13.4.1 拉曼-奈斯衍射

13.4.2 布拉格衍射

13.5 布拉格聲光耦合器的耦合模分析

習題

參考文獻

第14章 電吸收調製器

14.1 光吸收的一般公式：

14.1.1 吸收公式

14.1.2 2∣n(0)∣2的物理解釋：態密度

14.1.3 帶間自由電子-空穴躍遷的光吸收譜

14.2 Franz-Keldysh效應：光子輔助隧穿

14.2.1 均勻電場下薛丁格方程的解

14.2.2 態密度求和與吸收譜

14.3 激子效應

14.3.1 三維激子

14.3.2 二維激子

14.3.3 三維和準二維激子的實驗結果

14.4 量子限制斯塔克效應(QCSE)

14.4.1 量子阱結構中含激子效應的光吸收譜

14.4.2 微擾法

14.4.3 激子吸收譜及與實驗數據的比較

14.5 電吸收調製器

14.6 集成電吸收調製器-雷射器(EML)

14.7 自電光效應器件(SEED)

附錄14A 二粒子波函式和有效質量方程

附錄14B 考慮激子效應時電子-空穴有效質量方程的解

習題

參考文獻

第V部分 光的探測和太陽能電池

第15章 光電探測器和太陽能電池

15.1 光電導

15.1.1 光電導性

15.1.2 時域中的光電流回響

15.1.3 光電導中的噪聲

15.1.4 n-i-p-i超晶格光電導

15.2 pn結光電二極體

15.2.1 I-V曲線和光電流

15.2.2 R0A積

15.2.3 電流回響度和探測度

15.3 p-i-n光電二極體

15.4 雪崩光電二極體

15.4.1 理想雪崩光電二極體：單載流子型的碰撞電離

15.4.2 電子和空穴同時碰撞電離

15.4.3 吸收區和倍增區分離的雪崩光電二極體(SAM APD)

15.4.4 多量子阱雪崩光電二極體

15.5 子帶間量子阱光電探測器

15.5.1 子帶間光吸收

15.5.2 量子阱中的光電導增益

15.5.3 暗電流

15.6 太陽能電池

15.6.1 太陽輻射與基本器件參數

15.6.2 pn結太陽能電池和頻譜回響

15.6.3 量子阱和多結太陽能電池

習題

參考文獻

附錄A 模型固體理論中的半導體異質結能帶

附錄B GaAs和InP的光學常數

附錄C Si、Ge和一些二元、三元和四元化合物的電學性質

附錄D InN、GaN、AlN和它們的三元化合物的參數

中英文術語對照