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绪论1

第1章 半导体中光子-电子的相互作用4

1.1 半导体中量子跃迁的特点4

1.2 直接带隙与间接带隙跃迁5

1.2.1 概述5

1.2.2 电子在能带之间的跃迁几率7

1.2.3 电子在浅杂质能级和与其相对的能带之间的跃迁11

1.2.4 重掺杂时的带-带跃迁13

1.3 光子密度分布与能量分布14

1.4 电子态密度与占据几率16

1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系20

1.5.1 净的受激发射速率和半导体激光器粒子数反转条件22

1.5.2 自发发射与受激发射速率之间的关系24

1.5.3 净的受激发射速率与增益系数的关系25

1.5.4 净的受激吸收速率与吸收系数25

1.6 半导体中的载流子复合26

1.6.1 自发辐射复合速率27

1.6.2 俄歇（Auger）复合31

1.7 增益系数与电流密度的关系36

思考与习题42

参考文献43

第2章 异质结44

2.1 异质结及其能带图44

2.1.1 pN异型异质结45

2.1.2 突变同型异质结47

2.1.3 渐变异质结48

2.2 异质结在半导体光电子学器件中的作用49

2.2.1 在半导体激光器（LD）中的作用49

2.2.2 异质结在发光二极管（LED）中的作用50

2.2.3 异质结在光电二极管探测器中的应用50

2.3 异质结中的晶格匹配50

2.4 对注入激光器异质结材料的要求55

2.4.1 从激射波长出发来选择半导体激光器的有源材料56

2.4.2 从晶格匹配来考虑异质结激光器材料58

2.4.3 由异质结的光波导效应来选择半导体激光器材料58

2.4.4 衬底材料的考虑63

2.5 异质结对载流子的限制63

2.5.1 异质结势垒对电子和空穴的限制63

2.5.2 由泄漏载流子引起的漏电流66

2.5.3 载流子泄漏对半导体激光器的影响69

思考与习题70

参考文献70

第3章 平板介质光波导理论72

3.1 光波的电磁场理论72

3.1.1 基本的电磁场理论72

3.1.2 光学常数与电学常数之间的关系73

3.2 光在平板介质波导中的传输特性78

3.2.1 平板介质波导的波动光学分析方法78

3.2.2 平板介质波导的射线分析法84

3.3 矩形介质波导91

思考与习题95

参考文献96

第4章 异质结半导体激光器97

4.1 概述97

4.2 光子在谐振腔内的振荡98

4.3 在同质结基础上发展的异质结激光器101

4.3.1 同质结激光器101

4.3.2 单异质结半导体激光器102

4.3.3 双异质结激光器103

4.4 条形半导体激光器105

4.4.1 条形半导体激光器的特点105

4.4.2 条形激光器中的侧向电流扩展和侧向载流子扩散106

4.5 条形激光器中的增益光波导111

4.5.1 概述111

4.5.2 增益波导的数学分析112

4.5.3 增益波导激光器中的像散、K因子117

4.5.4 侧向折射率分布对增益波导的影响118

4.6 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）120

4.6.1 概述120

4.6.2 VCSEL的结构121

4.6.3 布拉格反射器123

4.7 分布反馈（DFB）半导体激光器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 阈值增益和振荡模式130

4.7.5 DFB激光器结构与模选择132

思考与习题134

参考文献135

第5章 半导体激光器的性能137

5.1 半导体激光器的阈值特性137

5.1.1 半导体激光器结构对其阈值的影响137

5.1.2 半导体激光器的几何尺寸对阈值电流密度的影响138

5.1.3 温度对阈值电流的影响141

5.2 半导体激光器的效率142

5.3 半导体激光器的远场特性145

5.3.1 垂直于结平面的发散角θ⊥146

5.3.2 平行于结平面方向上的发散角θ∥148

5.3.3 波导结构对远场特性的影响148

5.4 半导体激光器的模式特性149

5.4.1 纵模谱［11］150

5.4.2 影响纵模谱的因素151

5.4.3 激光器的单纵模工作条件153

5.4.4 “空间烧洞”效应对单模功率的限制155

5.4.5 温度对模谱的影响156

5.4.6 单纵模激光器157

5.5 半导体激光器的光谱线宽158

5.5.1 肖洛-汤斯（Schawlow-Townes）线宽ΔvsT158

5.5.2 半导体激光器的线宽159

5.5.3 与输出功率无关的线宽161

5.5.4 增益饱和与线宽161

5.6 半导体激光器的瞬态特性162

5.6.1 瞬态响应的物理模型162

5.6.2 速率方程163

5.6.3 延迟时间td164

5.6.4 半导体激光器的直接调制165

5.6.5 张弛振荡167

5.6.6 自持脉冲170

5.7 半导体激光器的退化和失效171

5.7.1 半导体激光器的工作方式171

5.7.2 半导体激光器的退化173

5.7.3 欧姆接触的退化175

5.7.4 温度对半导体激光器退化的影响175

思考与习题175

参考文献176

第6章 低维量子半导体材料178

6.1 概述178

6.2 量子阱的基本理论和特点180

6.2.1 量子阱中的电子波函数和能量分布180

6.2.2 量子阱中电子的态密度和增益182

6.2.3 量子阱中的激子性质184

6.2.4 应变量子阱185

6.3 量子阱半导体激光器187

6.3.1 概述187

6.3.2 单量子阱（SQW）半导体激光器188

6.3.3 多量子阱（MQW）半导体激光器189

6.3.4 量子级联激光器191

6.4 量子线与量子点192

6.4.1 量子线和量子点基本理论192

6.4.2 量子线和量子点制备方法194

6.4.3 量子点的定位生长195

6.4.4 硅基异质外延的量子点及激光器196

思考与习题199

参考文献199

第7章 半导体光放大器（SOA）202

7.1 概述202

7.2 半导体光放大器的性能要求204

7.2.1 半导体光放大器的增益特性205

7.2.2 半导体光放大器的噪声特性210

7.2.3 半导体光放大器的耦合特性211

7.3 半导体光放大器应用展望212

7.3.1 半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用213

7.3.2 半导体光放大器在全光信号处理中的应用214

思考与习题217

参考文献218

第8章 可见光半导体光发射材料和器件219

8.1 概述219

8.2 红光半导体光发射材料和器件222

8.2.1 红光半导体材料222

8.2.2 红光半导体激光器224

8.2.3 红光发光二极管226

8.3 蓝／绿光半导体光发射材料和器件228

8.3.1 概述228

8.3.2 Ⅲ-N化合物半导体光发射材料229

8.3.3 蓝／绿光半导体光发射器件232

思考与习题233

参考文献234

第9章 半导体中的光吸收和光探测器236

9.1 本征吸收236

9.1.1 直接带隙跃迁引起的光吸收237

9.1.2 间接带隙跃迁引起的光吸收239

9.2 半导体中的其他光吸收243

9.2.1 激子吸收243

9.2.2 自由载流子吸收247

9.2.3 杂质吸收249

9.3 半导体光电探测器的材料和性能参数250

9.3.1 常用的半导体光电探测器材料250

9.3.2 半导体光电探测器的性能参数250

9.4 无内部倍增的半导体光探测器253

9.4.1 光电二极管253

9.4.2 P1N光探测器254

9.4.3 光电导探测器256

9.5 半导体雪崩光电二极管（APD）257

9.5.1 APD的原理与结构257

9.5.2 APD的噪声特性261

9.5.3 APD的倍增率（或倍增因子）263

9.5.4 APD的响应速度263

9.5.5 低电压工作的APD264

9.6 量子阱光探测器265

9.6.1 量子阱雪崩倍增二极管265

9.6.2 基于量子阱子能级跃迁的中／远红外探测器266

9.6.3 基于量子限制斯塔克效应的电吸收调制器267

思考与习题270

参考文献271

第10章 半导体光电子器件集成273

10.1 概述273

10.1.1 集成电路的启示273

10.1.2 PIC和OEIC出现的逻辑推理273

10.1.3 PIC和OEIC的发展274

10.1.4 应用需求对PIC和OEIC的强力拉动275

10.2 发展PIC和OEIC的困难与启示276

10.2.1 制约PIC和OEIC发展的因素276

10.2.2 发展PIC和OEIC的某些启示277

10.3 几种常用的光子集成手段280

10.3.1 对接再生长280

10.3.2 选区外延生长281

10.3.3 量子阱混合281

10.3.4 键合282

10.3.5 双波导集成282

10.4 推动PIC发展的可能技术方案283

10.4.1 微环谐振腔283

10.4.2 光子晶体286

10.4.3 表面等离子体激元（SPP）289

10.4.4 超材料、超表面295

思考与习题301

参考文献302

附录A 薛定谔方程与一维方势阱306

附录B 半导体的电子能带结构310