目錄
譯者序
前言
第1章 緒論 1
1.1 器件的物理基礎 1
1.2 建模和仿真方法 1
1.3 建模研究對像 2
1.4 器件建模技術 3
1.5 本書主要內容 4
第2章 光學模型 5
2.1 有源介質中的波動方程 5
2.1.1 麥克斯韋方程組 5
2.1.2 波動方程 6
2.2 時域內約化的波動方程 8
2.3 空域內約化的波動方程 9
2.4 時域與空域內同時約化的波動方程——行波光場模型 10
2.4.1 完全限制結構中的波動方程 10
2.4.2 部分限制結構中的波動方程 15
2.4.3 周期性波紋結構中的波動方程 18
2.5 寬帶行波光場模型 26
2.5.1 直接卷積模型 27
2.5.2 等效布洛赫方程模型 29
2.5.3 波段分割模型 31
2.6 時空分離的駐波光場模型 34
2.7 光子速率方程和相位方程——光場行為模型 40
2.8 自發輻射噪聲的處理 40
參考文獻 44
第3章 材料模型I：半導體能帶結構 47
3.1 體材料半導體中的單電子能帶 47
3.1.1 薛定諤方程和哈密頓算符 47
3.1.2 布洛赫定理和能帶結構 49
3.1.3 k = 0處的解——Kane模型 57
3.1.4 k≠0處的解——Luttinger-Kohn模型 63
3.1.5 4×4哈密頓算符和軸向近似下的解 68
3.1.6 不同半導體材料的哈密頓算符 71
3.2 半導體量子阱結構中的單電子能帶 72
3.2.1 有效質量理論和約束方程 72
3.2.2 導帶(無簡並) 75
3.2.3 價帶(有簡並) 76
3.2.4 量子阱能帶結構 78
3.3 應變層結構中的單電子能帶 82
3.3.1 一般性方法 82
3.3.2 應變體材料半導體 84
3.3.3 應變量子阱結構 85
3.3.4 閃鋅礦結構的半導體 86
3.4 k-p理論總結 88
參考文獻 89
第4章 材料模型II：光學增益 92
4.1 考慮多體效應的綜合模型 92
4.1.1 引言 92
4.1.2 海森堡方程 93
4.1.3 綜合模型 93
4.1.4 一般性約束方程 98
4.2 自由載流子模型——零階解 108
4.2.1 自由載流子模型 108
4.2.2 載流子速率方程 109
4.2.3 的速率方程 112
4.2.4 極化率 113
4.3 屏蔽的庫侖相互作用模型——一階解 113
4.3.1 屏蔽的庫侖相互作用模型 113
4.3.2 屏蔽的庫侖勢 115
4.3.3 零注入和激子吸收情形下的解 118
4.3.4 任意注入情形下的解 122
4.4 多體相關模型——二階解 125
4.4.1 多體相關模型 125
4.4.2 半解析解 125
4.4.3 全數值解 127
參考文獻 131
第5章 載流子輸運和熱擴散模型 133
5.1 載流子輸運模型 133
5.1.1 泊松方程和載流子連續性方程 133
5.1.2 非有源區的漂移和擴散模型 134
5.1.3 有源區的載流子輸運模型 135
5.1.4 載流子輸運模型的簡化 139
5.1.5 自由載流子輸運模型 141
5.1.6 復合速率 142
5.2 載流子速率方程模型 144
5.3 熱擴散模型 145
5.3.1 經典熱擴散模型 145
5.3.2 一維熱擴散模型 148
參考文獻 148
第6章 光學方程的求解方法 151
6.1 橫截面上的光場模式 151
6.2 行波方程 152
6.2.1 有限差分法 152
6.2.2 分步交替法 160
6.2.3 由數字濾波器實現的時域卷積 165
6.3 駐波方程 167
參考文獻 173
第7章 材料增益方程的求解方法 176
7.1 單電子能帶結構 176
7.2 材料增益計算 176
7.2.1 自由載流子增益模型 176
7.2.2 屏蔽的庫侖相互作用增益模型 181
7.2.3 多體增益模型 181
7.3 材料模型的參量化 186
參考文獻 187
第8章 載流子輸運和熱擴散方程的求解方法 189
8.1 靜態載流子輸運方程 189
8.1.1 尺度換算 190
8.1.2 邊界條件 191
8.1.3 初始解 192
8.1.4 有限差分離散化 193
8.1.5 非線性代數方程的求解 202
8.2 瞬時載流子輸運方程 205
8.3 載流子速率方程 206
8.4 熱擴散方程 206
參考文獻 208
第9章 器件性能的數值分析 210
9.1 一般方法 210
9.1.1 材料增益的處理 210
9.1.2 準三維處理 212
9.2 器件性能分析 213
9.2.1 穩態分析 213
9.2.2 小信號動態分析 215
9.2.3 大信號動態分析 217
9.3 模型的標定和驗證 218
參考文獻 221
第10章 半導體激光器的設計和模擬實例 223
10.1 增益優化的有源區結構設計和模擬 223
10.1.1 有源區材料 223
10.1.2 有源區結構 227
10.2 光場和載流子限制優化的橫截面結構設計和模擬 230
10.2.1 橫截面疊層設計的一般考慮 230
10.2.2 脊波導結構 232
10.2.3 掩埋異質結結構 235
10.2.4 脊波導與掩埋異質結結構的比較 238
10.3 激射振蕩優化的腔結構設計和模擬 239
10.3.1 Fabry-Perot激光器 239
10.3.2 通過光柵設計實現不同耦合機制的分布反饋激光器 242
10.3.3 多段結構激光器的設計 249
參考文獻 253
第11章 其他單一光電器件的設計和模擬實例 257
11.1 電吸收調制器 257
11.1.1 器件結構 257
11.1.2 材料特性和器件性能模擬 258
11.1.3 高消光比和低插入損耗的設計 263
11.1.4 偏振無關吸收的設計 265
11.2 半導體光放大器 267
11.2.1 器件結構 267
11.2.2 性能模擬 268
11.2.3 提高性能的設計 272
11.3 超輻射發光二極管 272
11.3.1 器件結構 272
11.3.2 性能模擬 273
11.3.3 提高性能的設計 275
參考文獻 278
第12章 集成光電器件的設計與模擬實例 281
12.1 集成半導體分布反饋激光器與電吸收調制器 281
12.1.1 器件結構 281
12.1.2 集成界面 283
12.1.3 分布反饋激光器性能模擬 284
12.1.4 電吸收調制器性能模擬 285
12.2 集成半導體分布反饋激光器與監測光探測器 288
12.2.1 器件結構 288
12.2.2 激光器性能模擬 291
12.2.3 信道間串擾的模擬 292
參考文獻 296
附錄A Lowdin重整化理論 298
附錄B 多體增益模型中的積分 300
附錄C 5階Runge-Kutta方法的Cash-Karp 實現 312
附錄D 稀疏線性方程的解法 313
D.1 直接法 313
D.2 迭代法 315
參考文獻 319