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基本信息

书名:半导体激光器波导模式理论(上册)

：178.00元

售价：129.9元,便宜48.1元,折扣72

作者:郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2018-04-01

ISBN：9787030457172

字数：

页码：

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

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内容提要

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，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。本书是在作者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**进展。全书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。

目录

作者介绍

文摘

序言

《半导体激光器波导模式理论（上册）》是一部深入探讨半导体激光器核心工作机理的学术专著，特别侧重于其内部光场传播与约束的波导模式特性。本书旨在为从事半导体激光器设计、制造、应用以及相关领域研究的科研人员、工程师和高年级研究生提供一个扎实而全面的理论基础。 全书的核心关注点在于理解半导体激光器中的光波如何被导引和限制在特定的区域内，从而实现高效的光增益和激光输出。这种光波的导引和限制正是由其内部的波导结构所决定的。本书在上册中，系统地梳理了构成半导体激光器波导结构的基本物理原理，并在此基础上，深入分析了不同类型波导模式的形成、特性及其对激光器性能的影响。 第一部分：基础理论与波导结构 在深入分析波导模式之前，本书首先回顾并构建了必要的电磁场理论和半导体材料基础。这包括： 麦克斯韦方程组在半导体介质中的应用： 详细阐述了电磁场在具有复杂介电常数和磁导率的半导体材料中传播的波动方程。重点分析了在不同边界条件下，电磁场的边界条件及其对传播模式的影响。 光波在介质中的传播： 引入了波数、传播常数、相位常数和群速度等基本概念，并阐述了光波在均匀介质和非均匀介质中传播的特性。 半导体材料的光学性质： 深入讨论了半导体材料的折射率、吸收系数、增益系数等关键光学参数，以及这些参数如何随材料成分、掺杂浓度、温度和注入载流子密度等因素而变化。特别是，着重分析了半导体材料的等离子体共振、自由载流子吸收以及带间跃迁等对光学性质的影响。 波导的基本概念： 引入了光波导的基本定义，即能够约束和引导光传播的结构。解释了波导存在的物理基础，即折射率分布的不均匀性所产生的全反射或有效折射率的差异。 在此基础上，本书详细介绍了构成半导体激光器核心的各种波导结构，并分析了它们在光场约束方面的作用： 脊形波导（Ridge Waveguide）： 这是最常见和最基本的半导体激光器波导结构之一。本书详细分析了脊形波导的几何形状（包括脊的宽度、高度、侧壁角度等）如何影响波导的有效折射率分布，以及由此产生的不同类型的横向模式。深入探讨了脊形波导的单模和多模行为，以及影响其模式特性的关键参数。 埋置式波导（Buried Waveguide）： 相比于脊形波导，埋置式波导提供了更强的横向约束能力，能够实现更小的模场尺寸和更好的模式隔离。本书将分析埋置式波导的结构，如翼状（wing-shaped）和蝶形（butterfly-shaped）等，以及其相对于脊形波导在模式控制和制造工艺上的优劣。 掺杂/非掺杂边界波导： 讨论了利用半导体材料的掺杂浓度差异来构建折射率阶梯或渐变的波导结构。分析了不同掺杂区域（如p型、n型、本征区）的电学和光学特性如何共同作用，形成有效的波导。 量子阱波导（Quantum Well Waveguide）： 这是现代高效半导体激光器中不可或缺的组成部分。本书将详细介绍量子阱的概念，以及单量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）结构是如何形成并作为增益介质同时提供光约束能力的。分析了量子约束效应如何改变材料的光学性质，进而影响波导模式。 其他新型波导结构： 简要介绍一些前沿的波导设计，如光子晶体波导（Photonic Crystal Waveguide）和亚波长波导（Subwavelength Waveguide）等，它们利用特殊的电磁场调控机制来实现更精密的模式控制。 第二部分：波导模式理论 在建立了对半导体激光器波导结构及其材料特性的深刻理解后，本书进入核心的波导模式理论分析。这一部分将是上册的重点和难点所在，旨在提供精确计算和理解波导模式的工具和方法。 波动方程的求解与模式分析： 标量近似法： 在许多情况下，特别是当横向尺寸远大于光波长时，可以使用标量近似法来简化波动方程的求解。本书将详细介绍标量近似法的推导过程，并分析其适用范围和局限性。 严格耦合波分析（Coupled-Mode Analysis, CMA）： 对于具有周期性结构或多层结构的光波导，例如多量子阱结构，严格耦合波分析是一种非常有效的计算方法。本书将详细讲解CMA的基本原理，包括模式耦合的机理，以及如何利用它来分析耦合损耗、模式转换等。 模式分解法（Mode Decomposition）： 当光波在波导中传播时，其整体场分布可以看作是许多不同模式的线性叠加。本书将介绍如何将复杂的电磁场分布分解为一组正交的本征模式，并分析各模式的贡献。 有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）： 对于复杂几何形状的波导，解析求解变得困难。本书将介绍数值计算方法，如FEM和FDTD，它们能够更精确地模拟复杂波导结构中的光场分布和传播特性，并提供实用的计算流程和技巧。 横向模式与纵向模式： 横向模式（Transverse Modes）： 重点分析光波在波导横截面（垂直于传播方向）上的场分布。 TE模式和TM模式： 详细阐述TE（横电）模式和TM（横磁）模式的定义，它们的电场和磁场分量如何在波导中传播。分析不同波导结构对TE和TM模式的约束能力差异，以及这如何影响激光器的偏振特性。 同质波导和异质波导的模式特性： 区分同质波导（折射率分布主要由材料组成决定）和异质波导（折射率分布受到结构设计和掺杂等因素的显著影响）的模式特性。 单模与多模行为： 深入分析决定波导是单模还是多模的关键因素，如波导宽度、折射率对比度、波长等。解释了单模工作对于实现低阈值、高效率、高相干性激光器的重要性。 模式场的计算与可视化： 提供计算和可视化各种横向模式场分布的工具和方法，例如能量密度分布、相位分布等。 纵向模式（Longitudinal Modes）： 简要提及纵向模式（即与传播方向相关的模式），并解释其与腔长、反射镜反射率等因素的关系，为后续讨论激光腔模式提供基础。 有效折射率法（Effective Refractive Index Method, EIM）： 基本原理： EIM是一种广泛用于简化三维波导分析的有效方法。本书将详细介绍EIM的推导过程，它如何将三维的横向模式问题近似为二维问题，从而大大简化计算。 适用范围和精度： 分析EIM的假设条件和局限性，讨论在何种情况下EIM能够提供足够精确的结果，以及何时需要更复杂的数值方法。 模式损耗与模式耦合： 弯曲损耗（Bending Loss）： 分析激光器内部波导结构中存在的弯曲对光场传播的影响，以及如何通过优化设计来减小弯曲损耗。 散射损耗（Scattering Loss）： 讨论由波导表面粗糙度、材料缺陷等引起的散射损耗，以及如何通过优化制造工艺来降低。 模式耦合（Mode Coupling）： 分析不同模式之间发生能量传递的现象，例如由波导不均匀性或外部扰动引起的模式耦合。解释模式耦合对激光器输出功率、谱线宽度等性能的影响。 增益与模式的相互作用： 探讨增益介质（如量子阱）的激活如何影响不同波导模式的增益，以及增益分布的不均匀性如何影响模式竞争。 量子阱波导的独特模式特性： 量子受限斯塔克效应（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE）： 详细分析QCSE对量子阱材料折射率和吸收/增益谱的影响，以及这种影响如何改变量子阱波导的模式特性，特别是如何实现电光可调。 多量子阱（MQW）波导的模式： 分析MQW结构中不同量子阱层之间的耦合效应，以及由此产生的特殊的夫-莫尔（Few-Mode）或多模行为。讨论如何通过优化阱宽、势垒宽、材料选择等来控制MQW波导的模式。 《半导体激光器波导模式理论（上册）》以严谨的逻辑、清晰的论述和丰富的图示，致力于将复杂的理论概念转化为读者易于理解的知识。本书不仅提供了计算波导模式的工具，更重要的是，它引导读者深入理解不同波导结构的设计原则、模式特性与激光器性能之间的内在联系，为解决实际工程问题和推动半导体激光器技术的发展奠定坚实的基础。