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第1章 概述1

1.1 半导体激光器的基本原理与器件结构1

1.2 半导体激光器材料8

1.3 注入型半导体激光器的特点10

1.4 半导体激光器的应用11

第2章 电子与光子的相互作用15

2.1 光波的量子化与光子15

2.1.1 光模展开表示15

2.1.2 模密度16

2.1.3 光波的量子化17

2.1.4 能量本征态与光子18

2.1.5 相干状态20

2.2 电子与光子的相互作用21

2.2.1 光子-电子系统的哈密顿算符与运动方程式21

2.2.2 跃迁概率与费米黄金律23

2.3 光子的吸收与发射25

2.3.1 光跃迁与矩阵元25

2.3.2 光吸收27

2.3.3 光的自然发射与受激发射27

2.3.4 爱因斯坦关系式28

2.4 反转分布与光放大29

3.1.1 直接跃迁型半导体能带结构31

第3章 半导体中的受激发射与光放大增益31

3.1 半导体的能带结构与受激发射31

3.1.2 受激发射条件33

3.1.3 光吸收、光发射与吸收系数、增益系数34

3.2 直接跃迁模型35

3.3 GHLBT-SME模型38

3.3.1 放大增益和由自然发射的能量积分的表示38

3.3.2 掺杂半导体中的电子状态密度40

3.3.3 跃迁矩阵元42

3.4.1 准费米能级的确定45

3.4 增益频谱与增益系数45

3.4.2 带隙收缩46

3.4.3 增益频谱47

3.4.4 最大增益与载流子密度的关系48

3.5 自然发射与注入电流密度49

3.5.1 自然发射频谱49

3.5.2 载流子密度与注入电流密度50

3.5.3 最大增益与注入电流密度的关系51

3.5.4 非辐射复合与载流子泄漏电流51

3.6 密度矩阵分析53

3.6.1 极化与增益系数53

3.6.2 极化的密度矩阵表示54

3.6.3 弛豫效应的处理56

3.6.4 密度矩阵方程式56

3.6.5 线性增益与折射率变化58

3.6.6 饱和效应61

3.6.7 向多模情况推广62

第4章 量子阱结构中的受激发射65

4.1 量子阱结构中的电子状态65

4.1.1 量子阱结构的形成65

4.1.2 量子限制效应66

4.1.3 二维电子气70

4.1.4 量子阱内的孔穴71

4.1.5 状态密度72

4.2 直接跃迁模型74

4.2.1 放大增益与自然发射的表达式74

4.2.2 跃迁矩阵元74

4.2.3 换算状态密度76

4.3 增益频谱与增益系数76

4.3.1 量子阱激光器的结构76

4.3.2 准费米能级的确定77

4.3.3 量子阱增益频谱的特点78

4.3.6 带尾与弛豫效应80

4.3.5 激子效应80

4.3.4 偏振关系80

4.3.7 最大增益与载流子密度的关系82

4.3.8 吸收频谱与最大增益波长83

4.4 自然发射与注入电流密度84

4.5 应变量子阱85

第5章 半导体异质结构光波导89

5.1 半导体激光器中光波导的概况89

5.2 光波的基本方程式91

5.2.1 麦克斯韦方程式与波动方程式91

5.2.2 描述注入载流子的半导体92

5.3.1 波导内光的电磁场模93

5.3 波导内的光波93

5.3.2 模间正交性与功率流94

5.4 平面波导95

5.4.1 波动方程式95

5.4.2 阶跃形折射率波导96

5.4.3 渐变形折射率波导102

5.5 扰动的处理与光波限制系数106

5.5.1 波导变化引起的传播常数的变化106

5.5.2 载流子注入效应与损耗的处理108

5.5.3 波导模限制系数108

5.6.1 马卡特利方法110

5.6 沟道形波导110

5.6.2 等价折射率法112

5.6.3 增益波导113

5.6.4 折射率波导115

5.7 波导端面反射116

5.7.1 平面波的反射117

5.7.2 波导模的反射率118

5.8 波导型法布里-珀罗谐振器120

5.8.1 透射特性121

5.8.2 光波功率积蓄122

5.8.3 纵谐振模与光子寿命123

5.9 远场图126

第6章 半导体激光器的特性129

6.1 半导体激光器的结构与激射概要129

6.1.1 法布里-珀罗型半导体激光器的结构129

6.1.2 激射条件130

6.1.3 注入电流与输出光功率132

6.2 速率方程式133

6.2.1 速率方程式分析概要133

6.2.3 光子密度135

6.2.4 光子密度的速率方程式136

6.2.5 光波相位的速率方程式137

6.2.6 速率方程式的图示与扩展138

6.3 稳态激射特性139

6.3.1 单模模型与速率方程式的近似解139

6.3.2 阈值电流与输出光功率140

6.3.3 自然发射效应141

6.3.4 横模特性143

6.3.5 纵模频谱144

6.2.2 载流子密度的速率方程式144

6.3.6 模间竞争147

6.4.1 小信号调制的速率方程式148

6.4 调制特性148

6.4.2 瞬态特性与弛豫振动150

6.4.3 正弦波调制与频率响应152

6.4.4 频率啁啾153

6.4.5 大信号过渡响应155

6.4.6 振荡延迟157

6.5 噪声特性158

6.5.1 威纳-肯钦定理与散粒噪声158

6.5.2 朗之万噪声源与起伏方程式160

6.5.3 朗之万噪声源的相关函数与功率频谱161

6.5.4 强度噪声163

6.5.5 频率噪声166

6.5.6 多模噪声168

6.5.7 返回光感应噪声170

6.6 单模频谱与频谱线宽174

6.6.1 夏劳-汤斯线宽174

6.6.2 半导体激光器的线宽175

6.7 超短光脉冲的发生178

6.7.1 自脉冲振荡178

6.7.2 增益开关178

6.7.3 锁模179

7.1 动态单模激光器183

第7章 分布反馈型激光器183

7.2 耦合模方程式185

7.2.1 波矢图和布拉格条件185

7.2.2 光栅的描述186

7.2.3 模耦合方程式186

7.2.4 模耦合方程式与标准模188

7.2.5 耦合系数和发射损耗系数190

7.3 分布反馈型（DFB）激光器191

7.3.1 DFB激光器的激射条件191

7.3.2 折射率耦合DFB激光器192

7.3.3 相位移动折射率耦合DFB激光器194

7.3.4 增益耦合DFB激光器196

7.3.5 光子寿命和速率方程式197

7.3.6 工作特性200

7.4 分布布拉格反射型（DBR）激光器203

7.4.1 分布布拉格反射器203

7.4.2 DBR激光器的激射条件207

7.4.3 DBR激光器的组成与工作特性208

7.4.4 可变波长的DBR激光器209

第8章 半导体激光放大器211

8.1 增益频谱与增益饱和211

8.2 谐振型激光放大器213

8.3 行波型激光放大器214

8.3.1 放大率和放大器频带215

8.3.2 饱和输出216

8.3.3 噪声特性217

8.4 锥形激光放大器219

8.4.1 结构219

8.4.2 光束传播法的分析220

8.4.3 特性221

8.5 MOPA激光器222

附录225

索引233