光通信用半导体激光器

1绪论：光通信基础知识1

1.1概述1

1.2光通信简介1

1.2.1光通信基础1

1.2.2重要的巧合3

1.2.3光放大器4

1.2.4完整的技术5

1.3半导体激光器图片5

1.4本书结构7

1.5问题8



2激光器的基础知识9

2.1概述9

2.2激光器简介9

2.2.1黑体辐射9

2.2.2黑体辐射的统计热力学观点11

2.2.3几种概率分布函数11

2.2.4态密度12

2.2.5黑体光谱15

2.3黑体辐射：爱因斯坦的观点16

2.4激射的含义18

2.5自发辐射、受激辐射和激射之间的差异20

2.6一些激射系统例子21

2.6.1掺铒光纤激光器21

2.6.2氦-氖气体激光器21

2.7小结23

2.8问题24

2.9习题25



3半导体激光材料1：基础26

3.1概述26

3.2能带和辐射复合26

3.3半导体激光器材料体系28

3.4确定带隙30

3.4.1Vegard定律：三元化合物31

3.4.2Vegard定律：四元化合物32

3.5晶格常数、应变和临界厚度33

3.5.1薄膜外延生长34

3.5.2应变和临界厚度34

3.6直接和间接带隙37

3.6.1色散图37

3.6.2色散图的特点40

3.6.3直接和间接带隙40

3.6.4声子41

3.7小结43

3.8问题43

3.9习题44



4半导体激光材料2：态密度、量子阱和增益46

4.1概述46

4.2半导体中电子和空穴的密度46

4.2.1方程式(4.9)的变换：有效质量48

4.2.2方程式(4.9)的变换：包含带隙50

4.3量子阱激光材料51

4.3.1理想量子阱中的能级52

4.3.2实际量子阱中的能级54

4.4量子阱中的态密度55

4.5载流子数57

4.5.1准费米能级57

4.5.2空穴数与电子数58

4.6激射条件59

4.7光增益60

4.8半导体光增益61

4.8.1联合态密度62

4.8.2占据因子63

4.8.3比例常数64

4.8.4线宽展宽64

4.9小结65

4.10学习要点66

4.11问题66

4.12习题67



5半导体激光器的运行70

5.1概述70

5.2简单的半导体激光器71

5.3激光器的定性模型71

5.4吸收损失74

5.4.1带间和自由载流子吸收75

5.4.2能带-杂质吸收76

5.5速率方程模型77

5.5.1载流子寿命79

5.5.2稳态的重要性80

5.5.3增益和光子寿命的单位81

5.5.4斜率效率83

5.6腔面镀膜器件84

5.7完整DC分析87

5.8小结89

5.9问题90

5.10习题91



6半导体激光器电学性质94

6.1概述94

6.2p-n结基础94

6.2.1载流子密度作为费米能级位置的函数95

6.2.2p-n结中的能带结构和电荷98

6.2.3非偏p-n结中的电流100

6.2.3.1扩散电流100

6.2.3.2漂移电流100

6.2.4内置电压101

6.2.5空间电荷区宽度102

6.3外加偏置的半导体p-n结104

6.3.1外加偏置和准费米能级104

6.3.2复合和边界条件105

6.3.3少子准中性区扩散电流108

6.4半导体激光器p-n结110

6.4.1二极管理想因子110

6.4.2阈值处的固定准费米能级110

6.5二极管特性总结111

6.6激光器的金属接触112

6.6.1能级定义112

6.6.2能带结构114

6.7激光器欧姆接触的实现117

6.7.1金属-半导体结中的电流传导：热离子发射118

6.7.2金属-半导体结中的电流传导：隧穿电流119

6.7.3二极管电阻和接触电阻的测量120

6.8小结121

6.9问题122

6.10习题123



7光学腔125

7.1概述125

7.2本章概述126

7.3法布里-珀罗光腔概述127

7.4激光腔支持的光学纵模128

7.4.1标准具支持的光学模式：一维激光腔128

7.4.2长标准具的自由光谱范围129

7.4.3法布里-珀罗激光器腔体中的自由光谱范围131

7.4.4法布里-珀罗激光器的光学输出133

7.4.5纵模134

7.5基于光谱的增益计算135

7.6光腔中的横向模式137

7.6.1真实激光器中横向模式的重要性138

7.6.2全反射140

7.6.3横向电场和横向磁场模式141

7.6.4波导模式的定量分析142

7.7二维波导设计146

7.7.1二维限制146

7.7.2有效折射率方法146

7.7.3针对激光器的波导设计148

7.8小结149

7.9问题150

7.10习题150



8激光器调制153

8.1概述：数字和模拟光传输153

8.2数字传输规格154

8.3激光器小信号调制155

8.3.1小信号调制的测量156

8.3.2LED的小信号调制157

8.3.3回顾激光器速率方程159

8.3.4小信号均匀激光器响应的推导161

8.3.5小信号激光器均匀响应163

8.4激光器AC电流调制164

8.4.1推导大纲164

8.4.2激光器调制的测量和方程165

8.4.3激光器调制响应分析167

8.4.4时间常数效应示范169

8.5激光器带宽的极限170

8.6相对强度噪声测量172

8.7大信号调制173

8.7.1眼图建模174

8.7.2激光器系统注意事项175

8.8小结176

8.9学习要点176

8.10问题177

8.11习题178



9分布反馈激光器180

9.1单波长激光器180

9.2单波长激光器的必要性181

9.2.1单波长器件的实现183

9.2.2窄增益介质183

9.2.3高自由光谱范围和中等增益带宽183

9.2.4外部布拉格反射器185

9.3分布反馈激光器：概述186

9.3.1分布反馈激光器：物理结构186

9.3.2布拉格波长和耦合188

9.3.3单位往返增益188

9.3.4增益包封189

9.3.5分布反馈激光器：设计与制作190

9.3.6分布反馈激光器：零净相位191

9.4分布反馈激光器的实验数据194

9.4.1相位对阈值电流的影响194

9.4.2相位对腔体功率分布及斜率的影响194

9.4.3相位对单模良率的影响196

9.5建模分布反馈激光器198

9.6耦合模式理论201

9.6.1衍射的直观图像201

9.6.2分布反馈激光器的耦合模式理论202

9.6.3测量κ206

9.7固有单模激光器207

9.8其他类型的光栅208

9.9学习要点209

9.10问题210

9.11习题210



10其他：色散，制造及可靠性212

10.1概述212

10.2色散和单模器件213

10.3激光器的温度效应215

10.3.1波长的温度效应215

10.3.2直流特性的温度效应216

10.4激光器制造：晶圆生长，晶圆制造，芯片制造与测试219

10.4.1衬底晶圆制造219

10.4.2激光器设计220

10.4.3异质结构生长221

10.4.3.1异质结构生长：分子束外延221

10.4.3.2异质结构生长：金属有机物化学气相沉积221

10.5光栅制作223

10.5.1光栅制作223

10.5.2光栅二次生长224

10.6晶圆制造225

10.6.1晶圆制造：脊形波导225

10.6.2晶圆制造：掩埋异质结构与脊形波导226

10.6.3晶圆制造：垂直腔面发射激光器228

10.7芯片制造230

10.8晶圆测试和良率231

10.9可靠性232

10.9.1单个器件测试和失效模式233

10.9.2失效的定义234

10.9.3老化速率的阿伦尼乌斯关系234

10.9.4老化速率，FIT和MTBF分析235

10.10结束语237

10.11小结238

10.12问题239

10.13习题239



附录241

附录1国际单位制词头（SI词头）241

附录2单位换算表242

附录3常用物理量242

附录4中英文词汇对照表243



参考文献247