半导体激光器波导模式理论上册 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志编著 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030457172

商品编码：10072311621

出版时间：2015-10-01

作  者:郭长志 编著 定  价:178 出 版 社:科学出版社 出版日期:2015年10月01日 页  数:497 装  帧:精装 ISBN:9787030457172 ●前言
●第1章 半导体波导及其传播模式
●概述
●1．1 电磁过程的基本方程
●1．1．1 麦克斯韦方程组
●1．1．2 波动方程
●1．2 光在波导结构中的传播
●1．2．1 波导方程
●1．2．2 波导模式的正交关系
●1．3 介质的光学性质
●1．3．1 介质的电极化及其克拉默斯一克勒尼希关系
●1．3．2 介质极化及其色散的电子论
●1．3．3 “自由”载流子的带内吸收和等离子振荡折射率
●1．3．4 半导体激光材料的光学性质
●1．3．5 金属材料的光学性质
●1．4 半导体激光器的波导结构
●1．4．1 波导结构的形成
●1．4．2 半导体激光器波导的理论模型
●第2章 突变波导
●2．1 三层平板波导
●部分目录

内容简介

本书讨论用半导体和金属等材料实现光波导腔作用的设计理论。共分四章，靠前章论述经典场论基础、半导体和金属材料的光学性质及其理论、光波导腔的可能结构方案。第二、第三章分别系统讨论集中反馈方式的突变和缓变光波导结构与其光模式的空间和频谱分布的关系及其控制作用和设计。第四章讨论分布反馈方式的水平腔和垂直腔光波导结构与其光模式的空间和频谱分布的关系及其控制作用和设计。

《半导体激光器波导模式理论（上册）：基础概念与传播特性》 内容简介： 本书是“半导体激光器波导模式理论”系列著作的上册，致力于深入探讨半导体激光器核心器件——光波导的电磁场传播规律及其相关理论基础。在现代光电子学和信息技术飞速发展的今天，半导体激光器作为信息产生、传输和处理的关键光源，其性能的提升与光波导的设计优化息息相关。理解并掌握半导体激光器光波导的模式理论，是设计、制造高性能激光器，实现光通信、光存储、光传感等应用的关键。 上册内容主要聚焦于半导体激光器光波导的基本构成、横向约束机理、以及在不同结构下电磁场的传播特性。本书以清晰的逻辑结构，从宏观到微观，循序渐进地引导读者理解复杂的物理现象。 第一章：半导体激光器光波导基础 本章首先介绍了半导体激光器的发展历程及其在现代科技中的重要地位，强调了光波导在实现激光器增益、模式约束、提高效率和降低阈值电流等方面不可替代的作用。随后，详细阐述了光波导的定义、基本组成部分（如核心层、包层）以及关键参数（如折射率、厚度、宽度）。 在此基础上，本章深入剖析了实现光约束的物理原理——全内反射。通过对光线在不同折射率介质界面发生反射和折射的几何光学分析，直观地解释了高折射率核心层与低折射率包层之间形成的“光阱”效应，是如何将光场有效地限制在核心区域。同时，也初步引入了衍射效应，为后续的波动光学分析奠定基础。 第二章：波动光学与惠更斯原理 为了更精确地描述光在波导中的传播，本章从波动光学的角度出发，复习和引入了光波的基本性质，包括电磁场的矢量特性、光波的叠加原理以及干涉和衍射现象。详细阐述了惠更斯原理，并展示了如何利用惠更斯原理来理解光波的传播和衍射过程。 本章的重点在于将波动光学理论应用于光波导。通过麦克斯韦方程组的引入，以及在介质边界条件下的求解思路，为理解光在波导中的具体传播模式奠定了理论框架。虽然本章不对具体方程进行详细求解，但强调了理解麦克斯韦方程组在描述光波导现象中的核心作用。 第三章：传输模式理论 本章是本书的核心内容之一，系统地介绍了光波导中的传输模式理论。首先，从分析满足麦克斯韦方程组的光场分布出发，引入了“模式”的概念，即在特定边界条件下，光波导中能够稳定传播的、具有特定空间分布和传播常数的电磁场解。 本书详细区分了两种主要的传输模式：标量模式和矢量模式。标量模式理论是在某些近似下（如弱约束、模式场分布与传播方向基本一致）对光场振幅进行的分析，虽然简化，但在描述单模光波导的传播特性时仍有其适用性。而矢量模式理论则更为严谨，它考虑到电磁场的矢量分量，能够更准确地描述多模光波导中不同模式的特性，包括不同模式的横向电场和磁场分布，以及它们的传播常数和能量密度。 通过对不同形状（如矩形波导、脊形波导）和尺寸的光波导的模式分析，本章展示了波导结构对模式数量、模式间隔、模式能量分布的影响。读者将在此章节深入理解为何光波导能够支持多种模式，以及这些模式在空间上是如何分布和传播的。 第四章：波导的横向约束机理 本章专门探讨了实现光波导横向约束的各种物理机制。半导体激光器光波导的横向约束主要依靠材料的折射率分布。本书详细介绍了以下几种主要的折射率约束方式： 折射率导引（Index Guiding）: 这是最常见也是最基础的约束方式，依赖于核心层与包层之间因材料成分不同而产生的折射率差。本章会分析不同折射率差对模式传播的影响，包括模式场在横向上的紧密程度和约束能力。 增益导引（Gain Guiding）: 在某些特定的半导体激光器结构中，通过在有源区注入电流密度不均，会产生增益的横向分布。这种增益的非均匀分布也会引起有效折射率的横向变化，从而对光场产生约束作用。本章会从光行差（Optical Path Difference）的角度分析增益导引的效果，并讨论其与折射率导引的异同。 介质边界约束： 讨论了波导侧壁的反射作用对光场约束的贡献。在实际器件中，波导边缘的材料处理（如干法刻蚀）会影响侧壁的光反射效率，进而影响模式的传播。 本章还会结合具体的半导体材料体系（如GaAs/AlGaAs、InP/InGaAsP等）来阐述这些约束机理在实际器件设计中的应用，以及不同约束方式对激光器性能的影响。 第五章：光波导中的模式场分布与传播常数 本章深入研究了不同波导结构下模式的精确场分布以及它们各自的传播常数。通过求解在特定边界条件下满足波动方程的解析解（对于简单几何模型）或数值解（对于复杂几何模型），详细展示了各个模式在波导横向（x-y平面）上的电场和磁场分量分布。 模式分类： 引入了TE（横电）、TM（横磁）、HE（混合横电）、EH（混合横磁）等模式的分类概念，并解释了它们在电场和磁场矢量分量上的差异。 场分布分析： 以矩形波导为例，详细推导了TE和TM模式在波导横截面上的电磁场分布，并展示了它们随波导尺寸和折射率比的变化规律。例如，高阶模式的场分布会更弥散，能量更容易泄漏到包层。 传播常数与有效折射率： 引入了传播常数 $eta$ 的概念，它决定了光波在波导中沿传播方向（z方向）的相位变化速率。进一步引入了有效折射率 $n_{eff} = eta / k_0$（其中 $k_0$ 是真空中的波数），它代表了模式在波导中传播时的等效折射率。本章会分析有效折射率与波导参数（宽度、厚度、折射率差）以及模式阶数的关系，并解释为何不同模式具有不同的有效折射率，这是模式区分和选择的基础。 模式的截止条件： 探讨了当波导尺寸小于特定阈值时，高阶模式会发生截止，无法传播的现象。分析了不同模式的截止条件与波导几何参数和折射率之间的关系。 第六章：单模与多模光波导的特性比较 本章将前面章节的理论知识进行整合，重点比较了单模光波导和多模光波导在光场传播特性、器件性能和应用上的差异。 单模光波导： 强调单模光波导仅支持一个基模（通常是HE11模式）传播，其场分布窄而紧凑，能量集中在核心区域。这带来了诸如模式畸变小、输出光束质量高、易于与其他光器件耦合等优点。在激光器中，单模输出通常意味着更高的输出功率、更低的阈值电流和更窄的谱线宽度，在高速光通信和精密测量领域具有不可替代的优势。 多模光波导： 阐述了多模光波导能够支持多个模式同时传播。虽然多模光波导的约束能力和输出光束质量可能不如单模光波导，但在某些应用中（如某些类型的LED、光纤耦合、大功率激光器）也具有其优势，例如可能在相同尺寸下具有更高的传输带宽或功率承载能力。然而，多模传播也会带来模式色散（不同模式传播速度不同，导致信号失真）和模式噪声等问题。 本章通过理论分析和实际应用举例，帮助读者深刻理解不同类型光波导的优劣，以及在设计半导体激光器时如何根据具体需求选择合适的波导结构。 总结： 《半导体激光器波导模式理论（上册）》作为系列著作的开篇，系统地介绍了半导体激光器光波导的物理基础、电磁场传播理论、横向约束机理以及模式特性。本书理论严谨，逻辑清晰，语言流畅，并辅以必要的几何光学和波动光学概念回顾，力求让不同背景的读者都能理解并掌握光波导的核心知识。本书不仅是半导体激光器设计、制造和研发人员的必备参考，也为从事光电子学、集成光学、光通信等领域的学生和研究人员提供了一个坚实的理论基础。通过对上册内容的深入学习，读者将为理解更复杂的激光器结构和工作原理打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这部书给我留下了深刻的印象，尤其是在对半导体激光器波导结构进行理论建模的严谨性方面。作者在解析不同几何形状的波导如何影响光场分布时，深入浅出地阐述了麦克斯韦方程组在这一特定场景下的应用。从最基础的均匀介质波导，到复杂的脊形波导和埋层波导，每一个模型的构建都伴随着详细的数学推导，这对于理解光在其中的传播机制至关重要。我特别欣赏作者在介绍有效折射率法和严格耦合波分析法时，不仅仅是列出公式，而是详细解释了每一步的物理意义，以及这些方法在处理不同尺度和复杂性问题时的适用性与局限性。书中对于边界条件的处理，以及如何利用这些条件求解出波导的模式特性，如模式截止条件、有效折射率等，都进行了细致的论述。这不仅仅是公式的堆砌，而是对物理原理的深入挖掘，让读者能够真正理解光波导中的“模式”是如何形成的，以及它们如何决定激光器的输出特性。对于想要深入理解半导体激光器核心工作原理的工程师和研究人员来说，这本书无疑提供了一个坚实的理论基础。即使是一些我之前认为是理所当然的现象，通过作者的讲解，我也能从更根本的层面去理解其背后的物理机制。

评分☆☆☆☆☆

这本书为我打开了理解半导体激光器波导理论的一个新视角。作者在介绍一些基础概念时，例如电磁波在介质中的传播，虽然看似简单，但通过他深入浅出的讲解，我才真正理解了光场是如何被限制在波导中，并以特定的模式传播的。书中对于波导边界条件的讨论，以及它们如何影响着模式的形状和能量分布，让我对“模式”这个概念有了更直观的认识。我特别关注了书中关于亚波长波导和表面等离激元波导的部分，这对于未来超高密度集成光器件的设计非常有价值。作者详细介绍了这些新兴波导结构的光场增强效应，以及它们在实现更小尺寸激光器方面的潜力。虽然涉及到的数学推导相当复杂，但作者在每个步骤都力求清晰，并常常会用类比或直观的解释来辅助理解。书中还提到了不同类型的波导（如条形波导、脊形波导）在实际制造中可能遇到的问题，以及这些问题如何影响最终的器件性能，这为我理解理论与实际工艺之间的差距提供了依据。整体而言，这本书在理论的系统性、内容的深度和启发性方面都做得相当出色。

评分☆☆☆☆☆

我被这本书在理论推导的严谨性和对物理现象的细致刻画所深深吸引。作者在探讨波导的截止特性时，不仅仅是给出公式，而是通过对不同模式的传播常数的分析，清晰地解释了为什么某些模式会在特定尺寸的波导中消失，以及这种截止现象对激光器模式选择的重要性。书中对不同脊形波导参数（如脊宽、脊深）对模式特性的影响进行了详尽的分析，并通过仿真结果的对比，直观地展示了这些参数对有效折射率、模式轮廓和辐射损耗的决定性作用。我尤其对书中关于波导损耗的章节印象深刻，作者不仅列举了常见的损耗机制，还分析了如何通过优化波导设计来减小这些损耗，例如通过改进外延生长工艺以减小散射损耗，或通过优化脊形设计以减小侧壁损耗。书中在讨论非线性效应时，也详细阐述了高光强下波导材料的折射率变化如何影响模式传播，以及这种效应在某些特定应用（如光开关）中的潜力。这本书提供了一个非常扎实的理论框架，让读者能够从根本上理解半导体激光器波导的工作原理，并能够在此基础上进行器件的设计和优化。

评分☆☆☆☆☆

我发现这本书的语言风格相当直接和学术化，非常适合有一定物理和数学基础的读者。作者在讲解一些高阶概念时，比如模式耦合、散射损耗等，并没有回避复杂的数学表达式，而是将其作为理解物理现象不可或缺的一部分。例如，在解释多模波导中的模式竞争时，作者引入了非线性耦合方程组，并给出了近似解析解的方法，这让我对激光器在高速调制下的动态行为有了更深刻的洞察。书中对不同波导结构（如蝶形波导、脊形波导）的优缺点分析，从理论层面阐述了它们在光场约束能力、加工容差以及热稳定性方面的差异，这对于实际器件的设计和选择具有极高的指导意义。我尤其喜欢作者在分析波导损耗时，将导波损耗、吸收损耗、散射损耗等进行了详细的分类和量化，并给出了相应的计算公式和影响因素分析。这种细致的分解，使得读者能够更准确地识别器件性能瓶颈，并针对性地进行优化。虽然这本书的理论性很强，但作者并没有忽略与实际应用的联系，在很多地方都引用了最新的研究成果和实际器件的例子，使理论与实践的结合更加紧密。

评分☆☆☆☆☆

对于我而言，这本书最吸引人的地方在于它对半导体激光器波导理论的全面性和深度。作者在探讨不同材料体系（如III-V族化合物半导体）如何影响波导的光学特性时，不仅仅停留在表面，而是深入到能带理论和电磁场理论的交汇点。理解光与物质的相互作用，特别是载流子浓度变化对折射率的影响，是理解半导体激光器增益和损耗的关键。书中关于增益导波和折射率导波的对比分析，让我对不同设计理念的激光器有了更清晰的认识。例如，在讨论高填充因子波导时，作者详细解释了这种设计如何减小模式衍射损耗，从而提高器件的效率，并给出了相应的理论计算方法。书中关于量子阱和量子点结构对波导模式特性的影响，也给我带来了很多启发。作者通过引入量子力学概念，解释了这些微纳结构如何改变了增益谱和载流子分布，进而影响了激光器的出光波长和模式质量。即使有些部分涉及较为复杂的数学模型，但作者的表述方式总能引导读者一步步跟上思路，使得原本晦涩的理论变得易于理解。这本书在理论深度和广度上都做得相当出色，是一本难得的参考资料。