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第1章 引言1

1.1 信息时代的前沿学科——光子学1

1.2 电子和光子的比较4

1.3 半导体电子学的发展历程6

1.4 半导体光子学的发展历程11

1.5 本书的内容18

参考文献19

第2章 半导体光子材料21

2.1 引言21

2.2 半导体光子材料22

2.2.1 半导体光子材料的基本特性22

2.2.2 半导体光子材料的晶体结构26

2.3 半导体的晶格匹配和失配28

2.3.1 临界厚度29

2.3.2 晶格失配度29

2.4 半导体固溶体32

2.5 重要的半导体固溶体35

2.5.1 AlxGa1-xAs35

2.5.2 GaxIn1-xPyAs1-y37

2.5.3 (AlxGa1-x)yIn1-yP39

2.5.4 GexSi1-x40

2.6 半导体光子材料的折射率42

2.7 结束语44

参考文献45

第3章 半导体异质结构47

3.1 引言47

3.2 半导体异质结概念48

3.3 能带的形成49

3.4 半导体异质结构的能带图50

3.4.1 半导体的E-k关系能带图50

3.4.2 安德森能带模型52

3.5 几种异质结的能带图56

3.5.1 异型异质结的能带图56

3.5.2 异型突变异质结57

3.5.3 缓变异质结61

3.5.4 同型突变异质结62

3.5.5 双异质结63

3.6 异质结的电学性质64

3.6.1 异质结的伏－安特性64

3.6.2 异质结的电容－电压特性68

3.6.3 异质结对载流子的限制作用69

3.6.4 异质结的高注入比70

3.6.5 异质结的超注入现象71

3.7 异质结的光学特性71

3.7.1 异质结对光的限制作用71

3.7.2 窗口效应72

3.8 结束语72

参考文献73

第4章 介质波导75

4.1 引言75

4.2 光的反射和折射76

4.2.1 反射定律76

4.2.2 折射定律76

4.2.3 反射率和透射率77

4.2.4 布儒斯特定律79

4.2.5 临界角和全反射79

4.3 电磁场理论80

4.3.1 麦克斯韦方程80

4.3.2 波动方程82

4.3.3 平面波83

4.3.4 有损耗的介质中的平面波85

4.4 辐射模、衬底模和波导模87

4.5 平板介质波导88

4.5.1 全反射89

4.5.2 波导条件89

4.6 平板介质波导中的TE模92

4.6.1 对称波导92

4.6.2 偶阶TE模式93

4.6.3 奇阶TE模式96

4.7 矩形介质波导97

4.8 古斯－汉欣位移100

4.9 光的模式101

4.10 结束语103

参考文献104

第5章 半导体中的光发射和光吸收106

5.1 引言106

5.2 辐射复合和非辐射复合107

5.2.1 辐射复合108

5.2.2 非辐射复合111

5.3 光辐射和光吸收的关系113

5.3.1 光辐射和光吸收的基本概念113

5.3.2 黑体辐射114

5.3.3 爱因斯坦关系式117

5.3.4 半导体中受激辐射的必要条件119

5.3.5 净受激发射的速率120

5.3.6 两个能级间的光吸收系数120

5.4 跃迁几率122

5.4.1 费米黄金准则122

5.4.2 矩阵元123

5.5 半导体中的态密度125

5.6 半导体中的光吸收和光发射127

5.6.1 吸收系数127

5.6.2 自发辐射和受激辐射速率128

5.7 半导体中的光增益129

5.8 结束语134

参考文献134

第6章 半导体发光二极管136

6.1 引言136

6.2 pn结中的载流子分布136

6.3 半导体pn结特性139

6.3.1 热平衡时的pn结特性139

6.3.2 外加偏压时的pn结特性141

6.4 半导体发光二极管材料144

6.5 发光二极管的工作原理147

6.6 LED器件结构149

6.7 高亮度发光二极管和超辐射发光二极管153

6.7.1 高亮度发光二极管153

6.7.2 超辐射发光二极管155

6.8 发光二极管的特性158

6.8.1 伏－安特性158

6.8.2 P-I特性159

6.8.3 温度特性160

6.8.4 光谱特性161

6.8.5 调制带宽162

6.8.6 发光效率η和出光效率ηout163

6.8.7 相干特性163

6.8.8 近场和远场分布特性164

6.8.9 调制特性和偏振特性164

6.9 结束语164

参考文献166

第7章 半导体激光器167

7.1 引言167

7.2 异质结对载流子和光波的限制168

7.2.1 异质结对载流子的限制168

7.2.2 波导对光波的限制171

7.2.3 折射率波导和增益波导173

7.3 半导体激光器的工作原理175

7.3.1 半导体受激发射物质175

7.3.2 粒子数反转176

7.3.3 谐振腔176

7.3.4 阈值条件177

7.4 半导体激光器的基本结构180

7.4.1 DH、LOC和SCH激光器181

7.4.2 条型激光器183

7.5 半导体激光器的特性185

7.5.1 P-I和效率特性185

7.5.2 阈值特性186

7.5.3 效率特性188

7.5.4 光谱和模式189

7.5.5 近场图和远场图190

7.5.6 温度特性191

7.5.7 调制特性193

7.5.8 退化和寿命194

7.6 结束语196

参考文献197

第8章 量子阱、分布反馈、垂直腔面发射激光器和半导体光放大器199

8.1 引言199

8.2 超晶格和量子结构200

8.2.1 超晶格和量子结构的基本概念200

8.2.2 量子结构的能带图和态密度202

8.2.3 单量子阱和多量子阱203

8.2.4 应变量子阱206

8.3 量子阱激光器207

8.3.1 量子阱激光器的工作原理207

8.3.2 应变量子阱激光器210

8.3.3 量子阱激光器的特性211

8.4 分布反馈激光器和分布布拉格反射激光器213

8.4.1 布拉格光栅214

8.4.2 DFB和DBR激光器的结构215

8.4.3 光波耦合理论218

8.4.4 四分之一波长相移的DFB激光器219

8.4.5 DFB激光器的特性221

8.5 垂直腔面发射激光器224

8.5.1 多层介质膜反射器225

8.5.2 VCSEL激光器的结构226

8.5.3 VCSEL激光器的特性228

8.6 半导体光放大器229

8.6.1 半导体光放大器的结构229

8.6.2 半导体光放大器的增益231

8.6.3 半导体光放大器的噪声232

8.7 结束语233

参考文献234

第9章 光波导器件237

9.1 光波导中的模式的计算方法237

9.1.1 束传播法238

9.1.2 时域有限差分法239

9.1.3 薄膜匹配法241

9.2 脊形波导的单模条件241

9.2.1 矩形截面脊形波导的单模条件242

9.2.2 梯形截面脊形波导的单模条件243

9.2.3 纳米波导的单模条件243

9.3 硅基阵列波导光栅245

9.3.1 罗兰圆和AWG的结构246

9.3.2 AWG的工作原理247

9.3.3 AWG的特性249

9.4 微环谐振器251

9.4.1 微环谐振器的结构251

9.4.2 微环谐振器的光学特性253

9.4.3 光滤波器256

9.5 光调制器／光开关258

9.5.1 硅基波导的调制机理259

9.5.2 硅基光开关／调制器的光学结构263

9.5.3 光开关／调制器的电学结构266

9.5.4 硅基微纳光开关／调制器的特性268

9.6 硅基光耦合器269

9.6.1 硅基光耦合器的结构269

9.6.2 模斑变换器271

9.6.3 棱镜耦合器272

9.6.4 光栅耦合器272

9.7 结束语276

参考文献276

第10章 半导体光电探测器279

10.1 半导体中的光吸收279

10.1.1 吸收系数280

10.1.2 带间本征光吸收283

10.1.3 自由载流子光吸收284

10.2 pn结光电二极管286

10.3 pin光电二极管288

10.4 雪崩光电二极管290

10.5 RCE光电探测器294

10.6 MSM光电二极管297

10.7 半导体光电探测器的性能298

10.7.1 量子效率和响应度299

10.7.2 雪崩倍增因子M300

10.7.3 暗电流和信噪比301

10.7.4 响应时间305

10.8 结束语307

参考文献308

第11章 太阳能电池310

11.1 太阳能——最好的能源311

11.2 太阳能电池工作原理314

11.2.1 光伏效应314

11.2.2 太阳能电池的电流－电压特性314

11.2.3 光伏效应同材料的关系317

11.2.4 太阳能电池的效率318

11.3 硅太阳能电池323

11.4 非晶硅薄膜太阳能电池327

11.4.1 非晶硅薄膜的结构和电子态327

11.4.2 非晶硅薄膜的光学特性328

11.4.3 非晶硅和非晶锗硅电池329

11.5 其他硅基太阳能电池331

11.5.1 非晶硅／微晶硅叠层电池331

11.5.2 硅量子点电池和黑硅电池332

11.6 聚光多结太阳能电池333

11.6.1 多结太阳能电池的结构334

11.6.2 多结太阳能电池的特性336

11.7 太阳能电池的发展趋势339

11.8 结束语342

参考文献343

第12章 半导体光子晶体345

12.1 光子晶体346

12.1.1 光子晶体概念346

12.1.2 光子晶体的特性347

12.2 光子晶体能带的计算350

12.2.1 基于Bloch理论的平面波展开法351

12.2.2 时域有限差分法353

12.2.3 超元胞法356

12.2.4 计算举例——负折射效应357

12.3 光子晶体的应用358

12.3.1 光子晶体的能带同器件的关系358

12.3.2 光子晶体波导360

12.3.3 光子晶体分束器和定向耦合器363

12.3.4 光子晶体滤波器364

12.3.5 光子晶体光开关／调制器365

12.3.6 光子晶体发光器件365

12.4 光子晶体的制备369

12.5 结束语371

参考文献372

第13章 半导体光子集成374

13.1 信息时代需要光子集成374

13.2 光子集成的平台376

13.2.1 InP平台和Si平台的比较376

13.2.2 SOI378

13.3 光子集成的关键技术379

13.3.1 外延生长技术379

13.3.2 微纳加工技术381

13.3.3 键合技术383

13.4 硅基光子集成383

13.4.1 硅基光子集成方式383

13.4.2 硅基光波导器件阵列386

13.4.3 硅基光子集成的光源和探测391

13.5 光子集成的发展趋势394

参考文献397

索引399