半導體激光器波導模式理論上冊 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭長誌編著 著

圖書標籤:

• 半導體激光器
• 激光物理
• 波導光學
• 模式理論
• 光電子學
• 半導體物理
• 光學工程
• 通信技術
• 光縴光學
• 集成光學

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030457172

商品編碼：10072311621

齣版時間：2015-10-01

作  者:郭長誌 編著 定  價:178 齣 版 社:科學齣版社 齣版日期:2015年10月01日 頁  數:497 裝  幀:精裝 ISBN:9787030457172 ●前言
●第1章 半導體波導及其傳播模式
●概述
●1．1 電磁過程的基本方程
●1．1．1 麥剋斯韋方程組
●1．1．2 波動方程
●1．2 光在波導結構中的傳播
●1．2．1 波導方程
●1．2．2 波導模式的正交關係
●1．3 介質的光學性質
●1．3．1 介質的電極化及其剋拉默斯一剋勒尼希關係
●1．3．2 介質極化及其色散的電子論
●1．3．3 “自由”載流子的帶內吸收和等離子振蕩摺射率
●1．3．4 半導體激光材料的光學性質
●1．3．5 金屬材料的光學性質
●1．4 半導體激光器的波導結構
●1．4．1 波導結構的形成
●1．4．2 半導體激光器波導的理論模型
●第2章 突變波導
●2．1 三層平闆波導
●部分目錄

內容簡介

本書討論用半導體和金屬等材料實現光波導腔作用的設計理論。共分四章，靠前章論述經典場論基礎、半導體和金屬材料的光學性質及其理論、光波導腔的可能結構方案。第二、第三章分彆係統討論集中反饋方式的突變和緩變光波導結構與其光模式的空間和頻譜分布的關係及其控製作用和設計。第四章討論分布反饋方式的水平腔和垂直腔光波導結構與其光模式的空間和頻譜分布的關係及其控製作用和設計。

《半導體激光器波導模式理論（上冊）：基礎概念與傳播特性》 內容簡介： 本書是“半導體激光器波導模式理論”係列著作的上冊，緻力於深入探討半導體激光器核心器件——光波導的電磁場傳播規律及其相關理論基礎。在現代光電子學和信息技術飛速發展的今天，半導體激光器作為信息産生、傳輸和處理的關鍵光源，其性能的提升與光波導的設計優化息息相關。理解並掌握半導體激光器光波導的模式理論，是設計、製造高性能激光器，實現光通信、光存儲、光傳感等應用的關鍵。 上冊內容主要聚焦於半導體激光器光波導的基本構成、橫嚮約束機理、以及在不同結構下電磁場的傳播特性。本書以清晰的邏輯結構，從宏觀到微觀，循序漸進地引導讀者理解復雜的物理現象。 第一章：半導體激光器光波導基礎 本章首先介紹瞭半導體激光器的發展曆程及其在現代科技中的重要地位，強調瞭光波導在實現激光器增益、模式約束、提高效率和降低閾值電流等方麵不可替代的作用。隨後，詳細闡述瞭光波導的定義、基本組成部分（如核心層、包層）以及關鍵參數（如摺射率、厚度、寬度）。 在此基礎上，本章深入剖析瞭實現光約束的物理原理——全內反射。通過對光綫在不同摺射率介質界麵發生反射和摺射的幾何光學分析，直觀地解釋瞭高摺射率核心層與低摺射率包層之間形成的“光阱”效應，是如何將光場有效地限製在核心區域。同時，也初步引入瞭衍射效應，為後續的波動光學分析奠定基礎。 第二章：波動光學與惠更斯原理 為瞭更精確地描述光在波導中的傳播，本章從波動光學的角度齣發，復習和引入瞭光波的基本性質，包括電磁場的矢量特性、光波的疊加原理以及乾涉和衍射現象。詳細闡述瞭惠更斯原理，並展示瞭如何利用惠更斯原理來理解光波的傳播和衍射過程。 本章的重點在於將波動光學理論應用於光波導。通過麥剋斯韋方程組的引入，以及在介質邊界條件下的求解思路，為理解光在波導中的具體傳播模式奠定瞭理論框架。雖然本章不對具體方程進行詳細求解，但強調瞭理解麥剋斯韋方程組在描述光波導現象中的核心作用。 第三章：傳輸模式理論 本章是本書的核心內容之一，係統地介紹瞭光波導中的傳輸模式理論。首先，從分析滿足麥剋斯韋方程組的光場分布齣發，引入瞭“模式”的概念，即在特定邊界條件下，光波導中能夠穩定傳播的、具有特定空間分布和傳播常數的電磁場解。 本書詳細區分瞭兩種主要的傳輸模式：標量模式和矢量模式。標量模式理論是在某些近似下（如弱約束、模式場分布與傳播方嚮基本一緻）對光場振幅進行的分析，雖然簡化，但在描述單模光波導的傳播特性時仍有其適用性。而矢量模式理論則更為嚴謹，它考慮到電磁場的矢量分量，能夠更準確地描述多模光波導中不同模式的特性，包括不同模式的橫嚮電場和磁場分布，以及它們的傳播常數和能量密度。 通過對不同形狀（如矩形波導、脊形波導）和尺寸的光波導的模式分析，本章展示瞭波導結構對模式數量、模式間隔、模式能量分布的影響。讀者將在此章節深入理解為何光波導能夠支持多種模式，以及這些模式在空間上是如何分布和傳播的。 第四章：波導的橫嚮約束機理 本章專門探討瞭實現光波導橫嚮約束的各種物理機製。半導體激光器光波導的橫嚮約束主要依靠材料的摺射率分布。本書詳細介紹瞭以下幾種主要的摺射率約束方式： 摺射率導引（Index Guiding）: 這是最常見也是最基礎的約束方式，依賴於核心層與包層之間因材料成分不同而産生的摺射率差。本章會分析不同摺射率差對模式傳播的影響，包括模式場在橫嚮上的緊密程度和約束能力。 增益導引（Gain Guiding）: 在某些特定的半導體激光器結構中，通過在有源區注入電流密度不均，會産生增益的橫嚮分布。這種增益的非均勻分布也會引起有效摺射率的橫嚮變化，從而對光場産生約束作用。本章會從光行差（Optical Path Difference）的角度分析增益導引的效果，並討論其與摺射率導引的異同。 介質邊界約束： 討論瞭波導側壁的反射作用對光場約束的貢獻。在實際器件中，波導邊緣的材料處理（如乾法刻蝕）會影響側壁的光反射效率，進而影響模式的傳播。 本章還會結閤具體的半導體材料體係（如GaAs/AlGaAs、InP/InGaAsP等）來闡述這些約束機理在實際器件設計中的應用，以及不同約束方式對激光器性能的影響。 第五章：光波導中的模式場分布與傳播常數 本章深入研究瞭不同波導結構下模式的精確場分布以及它們各自的傳播常數。通過求解在特定邊界條件下滿足波動方程的解析解（對於簡單幾何模型）或數值解（對於復雜幾何模型），詳細展示瞭各個模式在波導橫嚮（x-y平麵）上的電場和磁場分量分布。 模式分類： 引入瞭TE（橫電）、TM（橫磁）、HE（混閤橫電）、EH（混閤橫磁）等模式的分類概念，並解釋瞭它們在電場和磁場矢量分量上的差異。 場分布分析： 以矩形波導為例，詳細推導瞭TE和TM模式在波導橫截麵上的電磁場分布，並展示瞭它們隨波導尺寸和摺射率比的變化規律。例如，高階模式的場分布會更彌散，能量更容易泄漏到包層。 傳播常數與有效摺射率： 引入瞭傳播常數 $eta$ 的概念，它決定瞭光波在波導中沿傳播方嚮（z方嚮）的相位變化速率。進一步引入瞭有效摺射率 $n_{eff} = eta / k_0$（其中 $k_0$ 是真空中的波數），它代錶瞭模式在波導中傳播時的等效摺射率。本章會分析有效摺射率與波導參數（寬度、厚度、摺射率差）以及模式階數的關係，並解釋為何不同模式具有不同的有效摺射率，這是模式區分和選擇的基礎。 模式的截止條件： 探討瞭當波導尺寸小於特定閾值時，高階模式會發生截止，無法傳播的現象。分析瞭不同模式的截止條件與波導幾何參數和摺射率之間的關係。 第六章：單模與多模光波導的特性比較 本章將前麵章節的理論知識進行整閤，重點比較瞭單模光波導和多模光波導在光場傳播特性、器件性能和應用上的差異。 單模光波導： 強調單模光波導僅支持一個基模（通常是HE11模式）傳播，其場分布窄而緊湊，能量集中在核心區域。這帶來瞭諸如模式畸變小、輸齣光束質量高、易於與其他光器件耦閤等優點。在激光器中，單模輸齣通常意味著更高的輸齣功率、更低的閾值電流和更窄的譜綫寬度，在高速光通信和精密測量領域具有不可替代的優勢。 多模光波導： 闡述瞭多模光波導能夠支持多個模式同時傳播。雖然多模光波導的約束能力和輸齣光束質量可能不如單模光波導，但在某些應用中（如某些類型的LED、光縴耦閤、大功率激光器）也具有其優勢，例如可能在相同尺寸下具有更高的傳輸帶寬或功率承載能力。然而，多模傳播也會帶來模式色散（不同模式傳播速度不同，導緻信號失真）和模式噪聲等問題。 本章通過理論分析和實際應用舉例，幫助讀者深刻理解不同類型光波導的優劣，以及在設計半導體激光器時如何根據具體需求選擇閤適的波導結構。 總結： 《半導體激光器波導模式理論（上冊）》作為係列著作的開篇，係統地介紹瞭半導體激光器光波導的物理基礎、電磁場傳播理論、橫嚮約束機理以及模式特性。本書理論嚴謹，邏輯清晰，語言流暢，並輔以必要的幾何光學和波動光學概念迴顧，力求讓不同背景的讀者都能理解並掌握光波導的核心知識。本書不僅是半導體激光器設計、製造和研發人員的必備參考，也為從事光電子學、集成光學、光通信等領域的學生和研究人員提供瞭一個堅實的理論基礎。通過對上冊內容的深入學習，讀者將為理解更復雜的激光器結構和工作原理打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書為我打開瞭理解半導體激光器波導理論的一個新視角。作者在介紹一些基礎概念時，例如電磁波在介質中的傳播，雖然看似簡單，但通過他深入淺齣的講解，我纔真正理解瞭光場是如何被限製在波導中，並以特定的模式傳播的。書中對於波導邊界條件的討論，以及它們如何影響著模式的形狀和能量分布，讓我對“模式”這個概念有瞭更直觀的認識。我特彆關注瞭書中關於亞波長波導和錶麵等離激元波導的部分，這對於未來超高密度集成光器件的設計非常有價值。作者詳細介紹瞭這些新興波導結構的光場增強效應，以及它們在實現更小尺寸激光器方麵的潛力。雖然涉及到的數學推導相當復雜，但作者在每個步驟都力求清晰，並常常會用類比或直觀的解釋來輔助理解。書中還提到瞭不同類型的波導（如條形波導、脊形波導）在實際製造中可能遇到的問題，以及這些問題如何影響最終的器件性能，這為我理解理論與實際工藝之間的差距提供瞭依據。整體而言，這本書在理論的係統性、內容的深度和啓發性方麵都做得相當齣色。

評分☆☆☆☆☆

我被這本書在理論推導的嚴謹性和對物理現象的細緻刻畫所深深吸引。作者在探討波導的截止特性時，不僅僅是給齣公式，而是通過對不同模式的傳播常數的分析，清晰地解釋瞭為什麼某些模式會在特定尺寸的波導中消失，以及這種截止現象對激光器模式選擇的重要性。書中對不同脊形波導參數（如脊寬、脊深）對模式特性的影響進行瞭詳盡的分析，並通過仿真結果的對比，直觀地展示瞭這些參數對有效摺射率、模式輪廓和輻射損耗的決定性作用。我尤其對書中關於波導損耗的章節印象深刻，作者不僅列舉瞭常見的損耗機製，還分析瞭如何通過優化波導設計來減小這些損耗，例如通過改進外延生長工藝以減小散射損耗，或通過優化脊形設計以減小側壁損耗。書中在討論非綫性效應時，也詳細闡述瞭高光強下波導材料的摺射率變化如何影響模式傳播，以及這種效應在某些特定應用（如光開關）中的潛力。這本書提供瞭一個非常紮實的理論框架，讓讀者能夠從根本上理解半導體激光器波導的工作原理，並能夠在此基礎上進行器件的設計和優化。

評分☆☆☆☆☆

對於我而言，這本書最吸引人的地方在於它對半導體激光器波導理論的全麵性和深度。作者在探討不同材料體係（如III-V族化閤物半導體）如何影響波導的光學特性時，不僅僅停留在錶麵，而是深入到能帶理論和電磁場理論的交匯點。理解光與物質的相互作用，特彆是載流子濃度變化對摺射率的影響，是理解半導體激光器增益和損耗的關鍵。書中關於增益導波和摺射率導波的對比分析，讓我對不同設計理念的激光器有瞭更清晰的認識。例如，在討論高填充因子波導時，作者詳細解釋瞭這種設計如何減小模式衍射損耗，從而提高器件的效率，並給齣瞭相應的理論計算方法。書中關於量子阱和量子點結構對波導模式特性的影響，也給我帶來瞭很多啓發。作者通過引入量子力學概念，解釋瞭這些微納結構如何改變瞭增益譜和載流子分布，進而影響瞭激光器的齣光波長和模式質量。即使有些部分涉及較為復雜的數學模型，但作者的錶述方式總能引導讀者一步步跟上思路，使得原本晦澀的理論變得易於理解。這本書在理論深度和廣度上都做得相當齣色，是一本難得的參考資料。

評分☆☆☆☆☆

這部書給我留下瞭深刻的印象，尤其是在對半導體激光器波導結構進行理論建模的嚴謹性方麵。作者在解析不同幾何形狀的波導如何影響光場分布時，深入淺齣地闡述瞭麥剋斯韋方程組在這一特定場景下的應用。從最基礎的均勻介質波導，到復雜的脊形波導和埋層波導，每一個模型的構建都伴隨著詳細的數學推導，這對於理解光在其中的傳播機製至關重要。我特彆欣賞作者在介紹有效摺射率法和嚴格耦閤波分析法時，不僅僅是列齣公式，而是詳細解釋瞭每一步的物理意義，以及這些方法在處理不同尺度和復雜性問題時的適用性與局限性。書中對於邊界條件的處理，以及如何利用這些條件求解齣波導的模式特性，如模式截止條件、有效摺射率等，都進行瞭細緻的論述。這不僅僅是公式的堆砌，而是對物理原理的深入挖掘，讓讀者能夠真正理解光波導中的“模式”是如何形成的，以及它們如何決定激光器的輸齣特性。對於想要深入理解半導體激光器核心工作原理的工程師和研究人員來說，這本書無疑提供瞭一個堅實的理論基礎。即使是一些我之前認為是理所當然的現象，通過作者的講解，我也能從更根本的層麵去理解其背後的物理機製。

評分☆☆☆☆☆

我發現這本書的語言風格相當直接和學術化，非常適閤有一定物理和數學基礎的讀者。作者在講解一些高階概念時，比如模式耦閤、散射損耗等，並沒有迴避復雜的數學錶達式，而是將其作為理解物理現象不可或缺的一部分。例如，在解釋多模波導中的模式競爭時，作者引入瞭非綫性耦閤方程組，並給齣瞭近似解析解的方法，這讓我對激光器在高速調製下的動態行為有瞭更深刻的洞察。書中對不同波導結構（如蝶形波導、脊形波導）的優缺點分析，從理論層麵闡述瞭它們在光場約束能力、加工容差以及熱穩定性方麵的差異，這對於實際器件的設計和選擇具有極高的指導意義。我尤其喜歡作者在分析波導損耗時，將導波損耗、吸收損耗、散射損耗等進行瞭詳細的分類和量化，並給齣瞭相應的計算公式和影響因素分析。這種細緻的分解，使得讀者能夠更準確地識彆器件性能瓶頸，並針對性地進行優化。雖然這本書的理論性很強，但作者並沒有忽略與實際應用的聯係，在很多地方都引用瞭最新的研究成果和實際器件的例子，使理論與實踐的結閤更加緊密。