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内容简介

　　光子学是与电子学平行的科学。半导体光子学是以半导体为介质的光子学，专门研究半导体中光子的行为和性能，着重研究光的产生、传输、控制和探测等特性，进一步设计半导体光子器件的结构，分析光学性能及探索半导体光子系统的应用。《半导体光子学》分为13章，包括光子材料、异质结构和能带、辐射复合发光和光吸收、光波传输模式；超晶格和量子阱、发光管、激光器、探测器、光波导器件和太阳能电池等光子器件的工作原理；器件结构和特性以及光子晶体、光子集成等方面。作者在中国科学院大学（原研究生院）兼职教学18年，《半导体光子学》以该课程的讲义为基础历时3年写成，力求对半导体光子学的基本概念、光子器件的物理内涵和前沿研究的发展趋势作深入的描述和讨论，尽可能地提供明晰的物理图像和翔实的数据与图表。

目录

序
前言
第1章 引言
1.1 信息时代的前沿学科——光子学
1.2 电子和光子的比较
1.3 半导体电子学的发展历程
1.4 半导体光子学的发展历程
1.5 本书的内容
参考文献

第2章 半导体光子材料
2.1 引言
2.2 半导体光子材料
2.2.1 半导体光子材料的基本特性
2.2.2 半导体光子材料的晶体结构
2.3 半导体的晶格匹配和失配
2.3.1 临界厚度
2.3.2 晶格失配度
2.4 半导体固溶体
2.5 重要的半导体固溶体
2.5.1 Alx-a1-xAs
2.5.2 -axIn1-xPyAs1-y
2.5.3 （Alx-a1-x）yIn1-yP
2.5.4 GexSi1-x
2.6 半导体光子材料的折射率
2.7 结束语
参考文献

第3章 半导体异质结构
3.1 引言
3.2 半导体异质结概念
3.3 能带的形成
3.4 半导体异质结构的能带图
3.4.1 半导体的E-k关系能带图
3.4.2 安德森能带模型
3.5 几种异质结的能带图
3.5.1 异型异质结的能带图
3.5.2 异型突变异质结
3.5.3 缓变异质结
3.5.4 同型突变异质结
3.5.5 双异质结
3.6 异质结的电学性质
3.6.1 异质结的伏-安特性
3.6.2 异质结的电容-电压特性
3.6.3 异质结对载流子的限制作用
3.6.4 异质结的高注入比
3.6.5 异质结的超注入现象
3.7 异质结的光学特性
3.7.1 异质结对光的限制作用
3.7.2 窗口效应
3.8 结束语
参考文献

第4章 介质波导
4.1 引言
4.2 光的反射和折射
4.2.1 反射定律
4.2.2 折射定律
4.2.3 反射率和透射率
4.2.4 布儒斯特定律
4.2.5 临界角和全反射
4.3 电磁场理论
4.3.1 麦克斯韦方程
4.3.2 波动方程
4.3.3 平面波
4.3.4 有损耗的介质中的平面波
4.4 辐射模?衬底模和波导模
4.5 平板介质波导
4.5.1 全反射
4.5.2 波导条件
4.6 平板介质波导中的TE模
4.6.1 对称波导
4.6.2 偶阶TE模式
4.6.3 奇阶TE模式
4.7 矩形介质波导
4.8 古斯-汉欣位移
4.9 光的模式
4.1 0 结束语
参考文献

第5章 半导体中的光发射和光吸收
5.1 引言
5.2 辐射复合和非辐射复合
5.2.1 辐射复合
5.2.2 非辐射复合
5.3 光辐射和光吸收的关系
5.3.1 光辐射和光吸收的基本概念
5.3.2 黑体辐射
5.3.3 爱因斯坦关系式
5.3.4 半导体中受激辐射的必要条件
5.3.5 净受激发射的速率
5.3.6 两个能级间的光吸收系数
5.4 跃迁几率
5.4.1 费米黄金准则
5.4.2 矩阵元
5.5 半导体中的态密度
5.6 半导体中的光吸收和光发射
5.6.1 吸收系数
5.6.2 自发辐射和受激辐射速率
5.7 半导体中的光增益
5.8 结束语
参考文献

第6章 半导体发光二极管
6.1 引言
6.2 pn结中的载流子分布
6.3 半导体pn结特性
6.3.1 热平衡时的pn结特性
6.3.2 外加偏压时的pn结特性
6.4 半导体发光二极管材料
6.5 发光二极管的工作原理
6.6 LED器件结构
6.7 高亮度发光二极管和超辐射发光二极管
6.7.1 高亮度发光二极管
6.7.2 超辐射发光二极管
6.8 发光二极管的特性
6.8.1 伏-安特性
6.8.2 P-I 特性
6.8.3 温度特性
6.8.4 光谱特性
6.8.5 调制带宽
6.8.6 发光效率绾统龉庑�率鏾ut
6.8.7 相干特性
6.8.8 近场和远场分布特性
6.8.9 调制特性和偏振特性
6.9 结束语
参考文献

第7章 半导体激光器
7.1 引言
7.2 异质结对载流子和光波的限制
7.2.1 异质结对载流子的限制
7.2.2 波导对光波的限制
7.2.3 折射率波导和增益波导
7.3 半导体激光器的工作原理
7.3.1 半导体受激发射物质
7.3.2 粒子数反转
7.3.3 谐振腔
7.3.4 阈值条件
7.4 半导体激光器的基本结构
7.4.1 DH?LOC和SCH 激光器
7.4.2 条型激光器
7.5 半导体激光器的特性
7.5.1 P-I 和效率特性
7.5.2 阈值特性
7.5.3 效率特性
7.5.4 光谱和模式
7.5.5 近场图和远场图
7.5.6 温度特性
7.5.7 调制特性
7.5.8 退化和寿命
7.6 结束语
参考文献

第8章 量子阱?分布反馈?垂直腔面发射激光器和半导体光放大器
8.1 引言
8.2 超晶格和量子结构
8.2.1 超晶格和量子结构的基本概念
8.2.2 量子结构的能带图和态密度
8.2.3 单量子阱和多量子阱
8.2.4 应变量子阱
8.3 量子阱激光器
8.3.1 量子阱激光器的工作原理
8.3.2 应变量子阱激光器
8.3.3 量子阱激光器的特性
8.4 分布反馈激光器和分布布拉格反射激光器
8.4.1 布拉格光栅
8.4.2 DFB和DBR激光器的结构
8.4.3 光波耦合理论
8.4.4 四分之一波长相移的DFB激光器
8.4.5 DFB激光器的特性
8.5 垂直腔面发射激光器
8.5.1 多层介质膜反射器
8.5.2 VCSEL激光器的结构
8.5.3 VCSEL激光器的特性
8.6 半导体光放大器
8.6.1 半导体光放大器的结构
8.6.2 半导体光放大器的增益
8.6.3 半导体光放大器的噪声
8.7 结束语
参考文献

第9章 光波导器件
9.1 光波导中的模式的计算方法
9.1.1 束传播法
9.1.2 时域有限差分法
9.1.3 薄膜匹配法
9.2 脊形波导的单模条件
9.2.1 矩形截面脊形波导的单模条件
9.2.2 梯形截面脊形波导的单模条件
9.2.3 纳米波导的单模条件
9.3 硅基阵列波导光栅
9.3.1 罗兰圆和AW-的结构
9.3.2 AW-的工作原理
9.3.3 AW-的特性
9.4 微环谐振器
9.4.1 微环谐振器的结构
9.4.2 微环谐振器的光学特性
9.4.3 光滤波器
9.5 光调制器/光开关
9.5.1 硅基波导的调制机理
9.5.2 硅基光开关/调制器的光学结构
9.5.3 光开关/调制器的电学结构
9.5.4 硅基微纳光开关/调制器的特性
9.6 硅基光耦合器
9.6.1 硅基光耦合器的结构
9.6.2 模斑变换器
9.6.3 棱镜耦合器
9.6.4 光栅耦合器
9.7 结束语
参考文献

第10章 半导体光电探测器
10.1 半导体中的光吸收
10.1.1 吸收系数
10.1.2 带间本征光吸收
10.1.3 自由载流子光吸收
10.2 pn结光电二极管
10.3 pin光电二极管
10.4 雪崩光电二极管
10.5 RCE光电探测器
10.6 MSM 光电二极管
10.7 半导体光电探测器的性能
10.7.1 量子效率和响应度
10.7.2 雪崩倍增因子M
10.7.3 暗电流和信噪比
10.7.4 响应时间
10.8 结束语
参考文献

第11章 太阳能电池
11.1 太阳能——最好的能源
11.2 太阳能电池工作原理
11.2.1 光伏效应
11.2.2 太阳能电池的电流-电压特性
11.2.3 光伏效应同材料的关系
11.2.4 太阳能电池的效率
11.3 硅太阳能电池
11.4 非晶硅薄膜太阳能电池
11.4.1 非晶硅薄膜的结构和电子态
11.4.2 非晶硅薄膜的光学特性
11.4.3 非晶硅和非晶锗硅电池
11.5 其他硅基太阳能电池
11.5.1 非晶硅/微晶硅叠层电池
11.5.2 硅量子点电池和黑硅电池
11.6 聚光多结太阳能电池
11.6.1 多结太阳能电池的结构
11.6.2 多结太阳能电池的特性
11.7 太阳能电池的发展趋势
11.8 结束语
参考文献

第12章 半导体光子晶体
12.1 光子晶体
12.1.1 光子晶体概念
12.1.2 光子晶体的特性
12.2 光子晶体能带的计算
12.2.1 基于Bloch理论的平面波展开法
12.2.2 时域有限差分法
12.2.3 超元胞法
12.2.4 计算举例——负折射效应
12.3 光子晶体的应用
12.3.1 光子晶体的能带同器件的关系
12.3.2 光子晶体波导
12.3.3 光子晶体分束器和定向耦合器
12.3.4 光子晶体滤波器
12.3.5 光子晶体光开关/调制器
12.3.6 光子晶体发光器件
12.4 光子晶体的制备
12.5 结束语
参考文献

第13章 半导体光子集成
13.1 信息时代需要光子集成
13.2 光子集成的平台
13.2.1 InP平台和Si平台的比较
13.2.2 SOI
13.3 光子集成的关键技术
13.3.1 外延生长技术
13.3.2 微纳加工技术
13.3.3 键合技术
13.4 硅基光子集成
13.4.1 硅基光子集成方式
13.4.2 硅基光波导器件阵列
13.4.3 硅基光子集成的光源和探测
13.5 光子集成的发展趋势
参考文献
索引

精彩书摘

　　《半导体光子学/中国科学院大学研究生教材系列》：
　　第1章 引言
　　1.1 信息时代的前沿学科——光子学
　　在科学史上，20世纪是值得大书特书的历史时期，是人类文明史中的辉煌时代。简单地划分一下，20世纪的前五十年中，物理学研究获得特别重大的突破，以爱因斯坦相对论为代表的理论研究和以居里夫妇的放射性探索为代表的科学实验为人类开辟了新的纪元。20世纪的后五十年中，应用科学的研究和开发获得特别重大的突破，晶体管、集成电路和激光器的发明大大加速了信息的传输速度和各种控制的精确度，彻底地改变了人类社会的工作模式和生活方式，人类从此进入了一个高速发展的时期。
　　图1-1是20世纪的著名物理学家们聚会时的一张合影，这是一张非常珍贵的照片。照片中留下了爱因斯坦、居里夫人、普朗克、洛伦兹、朗之万、居伊、威尔逊、德拜、布拉格、狄拉克、康普顿、德布罗意、玻恩、玻尔、薛定谔、泡利、布里渊等人的身影。凡是学过物理学的人都熟悉他们的名字，学习过以他们的名字命名的定理、定律或物理量单位。这从一个侧面说明，在他们所处的年代，物理学在基础理论方面获得了特别重大的进展，真正是群星灿烂、熠熠生辉。
　　麦克斯韦、玻尔兹曼、爱因斯坦、布拉格、狄拉克、康普顿、德布罗意、玻尔、薛定谔、泡利、布里渊等科学家创建的电磁学、量子力学和相对论等理论，使人们对物质世界的本质和运动规律有了深刻的理解和认识，使得人类对物质世界的利用和改造变得越来越快。这些基础科学和应用科学的研究引发了电子技术、能源技术和自动化技术等领域划时代的革命性飞跃。集成电路、激光器、计算机与光通信的发展把人类社会的物质文明推进到前所未有的高度，为新世纪的持续发展奠定了坚实雄厚的基础。作为信息与能量的载体，电子在科学技术的发展中作出了历史性的巨大贡献，科学家和工程师们常把20世纪称为“电子时代”。同样地，作为信息与能量的载体，光子必将在21世纪的科学技术的发展中作出历史性的巨大贡献。
　　1906年首次出现“光子学”（photonics）这一物理学名词，最早提出“光子学”的科学家就是举世闻名的物理学家爱因斯坦（Einstein）。1952年文献中开始使用“光子学”一词。1970年荷兰科学家Poldervaart将“光子学”定义为“研究以光子为信息载体的科学”，之后，他认为“以光子作为能量载体的科学”也属于光子学的研究内容。1982年美国的Spectra 杂志更名为Photonics-Spectra，即由“光谱”更名为“光子学-光谱”，这是最早以“光子学”为期刊名字的杂志，该刊物提出光子学是研究如何产生量子化的光子或其他辐射并加以利用的科学，光子学的应用范围包括能量的发生到通信与信息处理等。贝尔实验室Ross博士认为，“电子学是关于电子的科学”，光子学则应是“关于光子的科学”。我国老一辈科学家钱学森院士提出，“光子学是与电子学平行的科学”，它主要“研究光子的产生、运动和转化”，还首次提出了“光子学-光子技术-光子工业”的发展模式。
　　显而易见，光子既是信息的载体，也是能量的载体。光子学就是研究作为信息载体和能量载体的光子的行为及其应用的科学；光子学研究光子与物质（包括光子自身、电子、原子、分子、各种生命活体等）的相互作用，在此基础上进一步发掘作为信息载体与能量载体的光子的功能和相关应用[1，2]。
　　广义而言，光子学是研究光子的产生、输运、控制、反应、探测、接收等过程及其应用的科学。理论上，光子学主要研究光子的量子特性，同各类物质（包括分子、原子、电子以及光子自身）的相互作用，各类效应及其规律；应用上，光子学研究利用光子进行信息传输和能量传输的各种器件和系统，以便在信息和能源等领域中获得广泛的应用[3-5]。
　　光子学是一门实用性极强的学科，已经形成了一系列的光子技术，如激光、光纤传输、光调制与光开关、光存储、光探测、光显示、太阳能的利用等技术。因此光子学不仅是一门基础科学，同时还是一门应用性极强的技术科学[6，7]。
　　作为一门新兴学科，光子学正处于成长时期，将进一步发展、充实、完善。事实上，光子学已经形成了光产业，激光器、探测器、调制器、光开关、光盘、显示器、太阳能电站及其各种光电系统等具有很大的市场，这些产品在工农业生产、国防建设、太阳能利用、仪器设备、家用电器等应用中发挥着巨大的作用，已经形成了一项市场很大的新兴产业，即光产业。人们越来越认识到，光产业在世界经济中的份额正在不断地扩大。
　　在光子学的发展过程中，已经形成诸多活跃的和重要的研究领域：信息光子学[8]、半导体光子学[9，10]、量子光子学[11]、分子光子学[12]、生物光子学[13]、非线性光子学[14]、导波（光纤）光子学[4，5]、超快光子学[15]等。它们构成光子学中的多个分支学科，并对光子学及光子技术起着推动和促进的作用。
　　20世纪，电子作为信息的载体和能量的载体构成信息领域和能源领域的主要特征和标志，人们常常将20世纪称为“电子时代”。进入21世纪之后，电子学和光子学互为支撑、互为补充、互为转换，构成21世纪信息社会的时代特征。21世纪信息大爆炸，信息的产生、传递、接收、应用变得更为广泛、深入，人们将21世纪称为“信息时代”。显而易见，电子学和光子学同为信息时代的重要支柱[16-18]。
　　继电子学之后，光子学与信息科学的交叉形成一门新兴的学科——信息光子学（informationphotonics）[8]，光子学及光子信息科学技术具有许多不同于电子学的新效应、新特性，因而具有许多不同于电子学的优越性。作为专门研究信息的信息光子学，它涉及领域很广，它是由材料学、计算科学、通信学等许多学科相互交叉形成的一门新学科。在广播、通信、计算机、化工、医疗等应用领域中信息是载体，通过光的发射、传播、吸收、散射，可以探测并研究物理信息、化学信息、生物信息、医学信息等，因而可以实现许多应用。
　　近年来生物学和生命科学变得越来越热门，它们是光子学的又一个重要应用领域。光与生命具有不解之缘，自然界中有光才有生命。人类与光亲密相伴，光为人体提供了各种能源和信息。生物医学光学与光子学骤然兴起，并引发出一门新兴的学科———生物光子学（bio-photonics）[13]，它是由光子学同生命科学相互交叉、相互渗透所形成的一门新兴的交叉学科。
　　生物光子学是利用光子研究生命的科学，主要以量子光学作为理论基础，以生命系统的弱光及超弱光子辐射作为实验手段，探测生物中的光子行为和特性，获得各种生物信息。生物光子学研究生物系统中以光子形式储存和释放的能量，探测生物系统中光子的行为和特性，探索光子携带的生物信息和功能信息，进而表征生物系统的结构与特征，揭示生物组织和生命体的自组织、自相似、自调节、自适应和遗传性状等的光物理本质，使生命科学直接深入到物质结构的深层次以及生命体相互作用的微观机制和物理本质，建立和发展以新陈代谢作用为主要特征和标志的生物光子学理论，同时还可以利用光子对生物系统进行加工与改造。
　　同信息光子学、生物光子学等相似，量子光子学、分子光子学、非线性光子学、超快光子学等光子学分支都有它们的研究领域和内容，我们不再对它们进行定义和深入的解释。
　　本书讲解的主要内容是半导体光子学，这是以半导体材料为介质的光子学，它专门研究光子在半导体材料中的行为和特性，着重研究光在半导体中的产生、传输、控制和探测等特性，进一步设计半导体光子器件的结构并分析其光学性能、探索半导体光子系统和应用，我们将对这些内容进行详细的描述和深入的讨论。
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前言/序言

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