半导体激光器设计理论2：半导体激光器激光波导模式理论（下册） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

图书标签:

• 半导体激光器
• 激光波导
• 模式理论
• 光电子技术
• 半导体物理
• 激光技术
• 通信技术
• 光纤通信
• 器件物理
• 半导体材料

出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030462619

版次：1

商品编码：11821386

包装：平装

丛书名： 半导体激光器设计理论

开本：32开

出版时间：2015-11-01

用纸：胶版纸

页数：453

字数：572000

正文语种：中文

内容简介

　　模式理论是研究激光在波导光腔中的传播规律、各种波导结构中可能存在的各种光模类型和模式结构特点，揭示激光模式结构与波导结构的内在联系，从而发现控制波导结构和模式结构的途径。由于光在传播过程中主要突出其波动性，因而量子场论和经典场论基本上导出相同的结果，因此完全可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。其任务是找出器件性能所需的激光模式结构和设计出其合理的波导光腔结构方案。
　　《半导体激光器设计理论2：半导体激光器激光波导模式理论（下册）》是在作者1989年12月出版的《半导体激光模式理论》的基础上，作了修订和大量补充完备，以反映作者及其团队几十年来取得的重要研究成果和该领域的新进展。
　　《半导体激光器设计理论2：半导体激光器激光波导模式理论（下册）》论述既重基础又涉及前沿，既重物理概念又重推导编程演算。
　　《半导体激光器设计理论2：半导体激光器激光波导模式理论（下册）》适合有关专业的大学高年级学生、研究生、研究人员和教师作为专业教材、参考书或自修提高的读物。

内页插图

目录

第3章 缓变波导
3．1 延伸抛物型波导
3．1．1 二维延伸抛物型实折射率波导
3．1．2 出射光束
3，1．3 -维延伸抛物型复折射率波导
3，1．4 模式稳定性
3．2 突变一缓变波导
3．2．1 模式电场方程的一维化
3．2．2 突变一延伸抛物型波导
3．2．3 突变-平方正切波导
3．2．4 突变_延伸幂函数波导
3．3 截断缓变波导
3．3．1 突变-平方双曲正切波导
3．3．2 突变-截断幂函数波导
3．4 有源区内的注入载流子分布
3．4．1 载流子的双极性扩散过程
3．4．2 有源区内垂直于结平面方向的载流子分布
3．4．3 结电流分布模型
3．4．4 一维化结电压模型
3．4．5 二维条形结电压分布和改进的模型
3．4．6 条形激光器中电压，电流和载流子分布的精确模型——有限差分法
3．5 非平面波导
3．5．1 结构形式和分析方法
3．5．2 非等厚有源层内的扩散方程
3．5．3 数值例子
3．5．4 非平面波导过程的特点

第4章 分布反馈波导
4．1 引论
4．2 分布反馈激光器
4．2．1 周期刻槽的光栅效应
4．2．2 耦合波理论
4．2．3 近似解析解
4．2．4 色散和禁带
4．2．5 数值结果
4．2．6 增益光栅的实现
4．3 分布布拉格反射激光器
4．3．1 作为布拉格反射体的周期刻槽
4．3．2 分布布拉格反射激光器的基本特性
4．3．3 有集成输出波导的半导体激光器
4．3．4 光栅刻槽形状对耦合系数的影响
4．4 薄膜光学的电磁理论基础
4．4．1 薄膜干涉的特点和薄膜与厚膜的判据
4．4．2 光波在多层薄膜结构的行为
4．5 光学薄膜光学特性的计算方法
4．5．1 薄膜光学性质的等效性
4．5．2 逐面逐层迭代——菲涅耳矩阵传递法
4．5．3 逐面逐层迭代——导纳矩阵和相位矩阵递推法
4．5．4 干涉矩阵等效递推法
4．5．5 本征值与反射率
4．5．6 单层介质膜的主要光学特性
4．5．7 膜系的透射率和吸收率
4．5．8 光学薄膜的驻波场计算方法
4．5．9 图解法及其应用
4．5．10 低损耗激光反射体的设计

索引

《半导体激光器设计理论 2：半导体激光器激光波导模式理论（下册）》 引言 深入理解半导体激光器（Semiconductor Laser，SCL）内部光场行为是实现高性能、多功能激光器器件的关键。在半导体激光器设计领域，激光波导模式理论占据着核心地位，它直接决定了器件的光学特性，如输出功率、光束质量、远场分布、单模工作能力等。本册（下册）承接上册在基础理论上的铺陈，将聚焦于半导体激光器中最复杂、也是最能体现器件精妙设计的波导模式理论。我们将从更深层次、更广阔的视角，剖析不同结构类型半导体激光器中的激光波导模式特性，并探讨如何通过精巧的设计来调控和优化这些模式，从而达到特定的应用需求。 核心内容概述 本册将重点深入探讨以下几个关键领域： 第一章：复杂波导结构下的模式行为分析 多层结构波导的精确模式求解： 不同于简单的二层结构，实际的半导体激光器常常采用多层量子阱、包覆层、电子/空穴阻挡层等复杂结构。本章将详细介绍适用于这类复杂波导的精确模式求解方法，包括严谨的解析方法（在特定简化条件下）和更为通用的数值方法（如有限元法、有限差分法、传播模式分解法等）。我们将着重分析各层材料的折射率、厚度以及量子阱掺杂浓度等参数如何影响有效折射率、模式阶数、模式场分布以及模式增益。 倾斜波导与斜角耦合波导中的模式特性： 倾斜波导在某些特定应用中（如光纤耦合）具有重要意义，它使得激光束以一定角度出射。本章将研究倾斜波导中的模式传播特性，分析倾斜角度对模式有效折射率、传播常数以及耦合效率的影响。同时，也将探讨斜角耦合结构如何影响模式的形成和传播，特别是在多模干涉（MMI）器件等应用中的表现。 横向限制结构对模式的影响： 除了纵向（沿器件长度方向）的限制，横向（垂直于光传播方向）的限制对于形成稳定的单模或特定多模输出至关重要。本章将深入分析不同横向限制机制，如条形Quemada（ Ridge）、埋层（Buried Heterostructure, BH）、脊形（Mesa）等结构中的模式行为。我们将详细阐述这些结构如何通过改变横向折射率分布来约束光场，从而影响单模工作的可能性、横向模式的阶数以及模式场形状。 二维与三维模式模拟的挑战与方法： 随着器件结构日益复杂，二维（2D）甚至三维（3D）的模式模拟成为必要。本章将介绍进行2D/3D模式模拟的理论框架和数值算法，讨论在这些高维度模型中面临的计算效率和精度挑战，并提供相应的解决方案和优化策略。 第二章：量子阱与量子点结构对模式特性的调控 量子阱（Quantum Well, QW）对有效折射率的影响： 量子阱的引入不仅改变了材料的电子能带结构，也通过电光效应（Electro-optic effect）和激光增益反馈机制，显著影响了波导的有效折射率。本章将详细分析不同量子阱构型（如单量子阱、多量子阱、耦合量子阱）以及量子阱材料（如GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs、GaN/InGaN等）的种类、厚度、组分和掺杂浓度如何影响量子阱层内的折射率，进而改变整个波导的有效折射率和模式分布。 载流子填充与空间烧孔效应（Spatial Hole Burning）： 在高注入密度下，载流子在量子阱中的填充并非均匀分布，由此产生的空间烧孔效应会影响局部增益和折射率，进而影响模式的形成和稳定性。本章将探讨载流子动力学如何影响模式，以及如何通过设计波导结构来减缓空间烧孔效应，实现更稳定的单模输出。 量子点（Quantum Dot, QD）激光器中的独特模式行为： 量子点激光器因其零维的量子限制效应，在模式特性上表现出与量子阱激光器显著不同的特点。本章将专门研究量子点激光器中的模式行为，包括其固有的零维能级结构如何影响增益谱和模式选择，以及如何通过波导设计来优化量子点的激子-光子耦合，实现高性能的单模或多模输出。 应变工程（Strain Engineering）与折射率调控： 通过引入晶格失配引起的外延层应变，可以调控量子阱或量子点材料的带隙和折射率。本章将探讨应变工程如何作为一种有效的手段来精细调节波导的折射率分布，从而优化模式特性，例如实现特定的单模工作或提高阈值电流。 第三章：多模效应、模式耦合与抑制 多模干涉（Multimode Interference, MMI）现象及其应用： 当波导的横向尺寸较大，可以支持多种横向模式传播时，不同模式的传播常数差异会导致它们在传播过程中发生干涉。本章将深入分析MMI现象的原理，包括自成像（Self-imaging）和交叉成像（Cross-imaging）现象，并阐述其在光功率分配器、光开关、光耦合器等器件设计中的应用。 模式耦合机制与损耗： 在实际器件中，由于制造缺陷、非均匀性以及器件边界处的散射，不同模式之间会发生耦合。本章将详细分析各种模式耦合的物理机制，如表面散射、界面粗糙度、材料不均匀性等，并讨论模式耦合如何导致模式损耗，影响器件的输出效率和光束质量。 单模工作条件与优化策略： 实现单模输出是许多应用（如光纤通信）的基本要求。本章将系统总结实现单模工作的必要条件，包括波导的有效折射率差、几何尺寸、增益分布等。我们将详细探讨多种优化策略，如减小波导宽度、引入横向增益/损耗曲线、采用特定结构的侧向限制等，以提高器件的单模抑制比（SMSR）。 多模激光器的模式划分与控制： 尽管单模输出是理想状态，但某些应用（如高功率激光器）可能需要多模输出。本章将讨论如何通过设计波导结构和增益分布，控制多模激光器的模式数量和模式功率分配，以获得特定的多模输出特性。 第四章：先进半导体激光器波导模式理论 分布反馈（Distributed Feedback, DFB）与分布布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector, DBR）激光器中的模式： DFB和DBR激光器通过在波导中引入周期性光栅结构来实现模式选择。本章将深入分析光栅的周期、深度、相位等参数如何影响模式的反射率和传输特性，以及它们如何实现窄带输出和单模工作。我们将探讨一维、二维光栅在DFB/DBR激光器中的应用，并分析其模式耦合和选择机理。 垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）的模式行为： VCSEL以其垂直出射、易于二维集成等优点而备受关注。本章将重点分析VCSEL中的模式行为，包括其腔体模式、横向模式（基模、高次模）的形成和选择。我们将讨论反射镜的反射率、腔长、增益区域大小、以及输出孔径等因素如何决定VCSEL的模式特性。 量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）的波导模式： QCL工作原理独特，其多量子阱结构和超晶格设计带来了特殊的波导模式行为。本章将探讨QCL的波导结构如何支持特定的电子跃迁和光子模式，以及如何通过设计级联结构和波导参数来调控其工作波长和输出特性。 新型半导体激光器结构中的模式探索： 随着半导体材料科学和微纳加工技术的不断发展，各种新型半导体激光器结构（如二维材料激光器、光子晶体激光器、谐振腔增强型激光器等）不断涌现。本章将对这些新兴领域中的波导模式理论进行初步的介绍和展望，探讨新的材料和结构如何带来全新的模式现象和设计挑战。 结论 《半导体激光器设计理论 2：半导体激光器激光波导模式理论（下册）》旨在为读者提供一个全面、深入的半导体激光器波导模式理论体系。通过对复杂波导结构、量子效应、多模行为以及先进激光器结构的深入剖析，读者将能够更深刻地理解半导体激光器内部光场与物质的相互作用，掌握设计和优化激光器波导模式的关键技术。本册内容不仅适用于半导体激光器领域的研究人员和工程师，也为相关专业的学生提供了扎实的理论基础。通过掌握这些先进的理论知识，读者将能更好地应对未来半导体激光器器件的挑战，推动相关技术的持续进步。

评分☆☆☆☆☆

从目录上看，这本书的章节安排非常系统，从基础的波导结构分析，到复杂的模式求解和特性研究，一步步深入。我最期待的章节是如何利用理论分析来指导实际的激光器设计，比如如何通过调整波导尺寸、材料折射率分布等参数来获得期望的输出模式。我相信，这本书一定包含了许多作者在多年研究和实践中总结出的宝贵经验和独到见解。虽然我还没来得及深入研读，但我对其中关于多模行为和单模输出的控制理论尤为好奇。理解这些内容，对于设计高性能、高指向性的半导体激光器至关重要。同时，书中对各种近似方法的讨论，也展现了作者对理论与实际相结合的深刻思考。很多时候，精确的理论求解在工程上是难以实现的，而有效的近似方法则能大大简化设计过程。我希望这本书能给我提供这样的解决方案。这本书的出版，无疑为整个半导体激光器领域的研究者和工程师提供了一个不可多得的学习平台。

评分☆☆☆☆☆

我是在一个偶然的机会了解到这本书的，当时我的研究正好涉及到半导体激光器的腔体设计，对如何优化输出波长和模式特性感到非常困惑。在向一些资深的前辈请教时，这本书被反复提及。虽然我还在努力消化其中的一部分内容，但这本书给我的整体感觉是非常“硬核”和“扎实”。它不像市面上很多同类书籍那样，仅仅停留在原理的介绍，而是深入到数学推导和物理模型的构建。我尤其欣赏作者在解释复杂概念时所采用的清晰逻辑和条理。即便有些推导过程对我来说依然是挑战，但通过作者细致的讲解，我能逐步领悟其背后的思想。这本书让我意识到，要真正掌握半导体激光器的波导模式理论，就必须具备扎实的数学功底和对电磁场理论的深刻理解。我目前正在啃读关于模式耦合和损耗的章节，希望能从中找到一些优化腔体设计、提高激光器效率的思路。这本书无疑是为那些真正想深入了解半导体激光器核心技术的人准备的，它提供了一个深入研究的起点，同时也提供了解决问题的工具。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，这本书的内容对我来说具有相当的挑战性，因为我不是专业领域的从业者，但它的吸引力在于提供了一个深入了解一个复杂技术核心的机会。这本书似乎不是为快速浏览而设计的，而是需要静下心来，逐字逐句地品味。我被其中对物理现象背后数学模型的精细构建所打动，这是一种将抽象概念转化为可计算、可预测的严谨过程。虽然我可能无法完全理解所有推导，但通过这本书，我能够窥见半导体激光器设计背后的深层逻辑。我特别感兴趣的是，书中是如何将理论知识转化为实际的工程指导的。例如，如何根据理论模型来预测不同设计参数对激光器性能的影响。我相信，对于有志于在半导体激光器领域深耕的研究者和工程师来说，这本书提供了一个不可或缺的知识体系。它不仅仅是知识的传递，更是一种思维方式的启发，让我更加敬畏科学的严谨性和工程的精密性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透露出一种严谨和专业的气息，深蓝色的背景搭配烫金的标题，仿佛预示着里面蕴含着精深的知识。翻开书页，纸张的触感也相当不错，印刷清晰，排版合理，读起来不会有压迫感。虽然我还没有深入研究其内容，但仅仅是浏览一下目录和前言，就能感受到作者在半导体激光器波导模式理论方面的深厚功底。那些复杂的公式和图表，虽然目前我可能无法完全理解，但它们象征着对基础物理原理的深入探索和对技术细节的精确把握。我期待着这本书能够为我打开一个全新的视角，让我能够更深刻地理解半导体激光器的内部运作机制，尤其是关于波导模式的形成和调控。对于任何一位对激光技术感兴趣，或者正在从事相关研究和开发的工程师、学生来说，这本书无疑是一笔宝贵的财富。它不是那种泛泛而谈的科普读物，而是直击核心，为读者提供扎实的理论基础，帮助我们在面对实际工程问题时，能够拥有更强的分析和解决问题的能力。我个人对其中关于非线性光学效应如何影响波导模式的章节尤其感兴趣，希望能从中找到一些启发。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度和广度都令人印象深刻，尤其是它对半导体激光器波导模式理论的深入剖析。我被书中严谨的推导过程和丰富的公式所吸引，尽管需要花费大量时间和精力去理解，但这种挑战本身就极具价值。我特别关注书中关于如何精确计算和预测激光器的输出波长、光谱线宽以及空间模式特性的部分。这对于设计特定应用的激光器，例如通信、传感或者医疗领域，是至关重要的。我了解到，半导体激光器的波导模式很大程度上决定了其性能，而这本书正是提供了理解和控制这些模式的理论基础。虽然我还需要时间去完全掌握其中的精髓，但我已经能够感受到这本书所蕴含的巨大潜力。它不仅仅是一本书，更像是一位经验丰富的导师，指引着我们在半导体激光器设计领域前行的方向。书中对不同波导结构下的模式行为的分析，以及作者对这些模式如何影响激光器性能的论述，是我目前最感兴趣的部分。