Оптоэлектроника

Автор: Э. Розеншер, Б. Винтер
Год издания: 2004
Серия: Мир электроники
Издательство: Техносфера
Язык: русский
Размер: 10,30 Мб
Страниц: 588
Формат: DJVU
ISBN: 5-94836-031-8
Перевод 2-го издания наиболее полной монографии по физическим основам оптоэлектроники и ее применениям. Описаны принципы функционирования основных оптоэлектронных приборов (светоизлучающие диоды, квантово-размерные лазеры, фотоприемники, устройства нелинейной оптики и так далее). Рассмотрены такие фундаментальные для понимания физики работы приборов темы, как квантовая механика электрон-фотонного взаимодействия, квантование электромагнитного поля, особенности электрон-фононного взаимодействия, квантовая теория гетероструктур, нелинейная оптика и другие.
Все это делает книгу незаменимым пособием для аспирантов, научных работников, инженеров-разработчиков.
Содержание:
Предисловие редактора
ГЛАВА 1. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОНА
1.1. Введение.
1.2. Постулаты квантовой механики
1.3. Стационарное уравнение Шредингера
1.3.1. Стационарные состояния
1.3.2. Расчет стационарных состояний для одномерного потенциала
1.4. Квантовая яма
1.4.1. Общий случай
1.4.2. Бесконечная потенциальная яма квадратного профиля
1.5. Стационарная теория возмущений
1.6. Нестационарные возмущения и вероятности переходов
1.6.1. Общий случай
1.6.2. Синусоидальное возмущение
1.7. Матрица плотности
1.7.1. Чисто квантовые ансамбли
1.7.2. Смешанные квантовые ансамбли
1.7.3. Матрица плотности и время релаксации для двухуровневой системы
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 1
1.А. Проблемы, накладываемые континуумом: виртуальный квантовый ящик и плотность состояний
1.Б. Возмущение вырожденного состояния
1.В. Квантово-размерный эффект Штарка
1.Г. Гармонический осциллятор
1.Д. Вероятности переходов и осцилляции Раби
ГЛАВА 2. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ФОТОНА
2.1. Введение,
2.2. Уравнения Максвелла в обратном пространстве
2.3. Свойства преобразования Фурье
2.4. Квантование электромагнитных волн
2.5. Фотон
2.6. Когерентное состояние
2.7. Излучение черного тела
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 2
2.А. Поле излучения осциллирующего заряда: калибровка Лоренца
2.Б. Тепловидение
ГЛАВА 3. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОН-ФОТОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
3.1. Введение
3.2. Гамильтониан дипольного взаимодействия для электронов и дырок
3.3. Линейная оптическая восприимчивость в приближении матрицы плотности
3.4. Линейная оптическая восприимчивость: поглощение и оптическое усиление
3.5. Скоростные уравнения
3.5.1. Адиабатическая аппроксимация и корпускулярная интерпретация
3.5.2. Стимулированное излучение
3.5.3. Насыщение поглощения
3.6. Спонтанное излучение и излучательное время жизни
3.6.1. Спонтанное излучение
3.6.2. Скоростные уравнения с учетом спонтанного излучения
3.7. Полихроматические переходы
3.8. Повторное рассмотрение скоростных уравнений
3.8.1. Монохроматические одномодовые волны
3.8.2. Многомодовые монохроматические волны
3.8.3. Полихроматические волны
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 3.
3.А. Однородное и неоднородное уширение: когерентность света.
3.А.1. Однородное уширение
3.А.2. Неоднородное уширение
3.Б. Нестационарные возмущения второго порядка.
3.В. Коэффициенты Эйнштейна для двух предельных случаев: квазимонохроматических и широкополосных оптических переходов
3.Г. Эквивалентность A·p- и D·А-гамильтонианов и правило Томаса-Райха-Куна
ГЛАВА 4. ЛАЗЕРНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
4.1. Введение.
4.2. Инверсия заселенности и оптическое усиление
4.2.1. Инверсия заселенности
4.2.2. Оптическое усиление и насыщение усиления
4.3. Трех-четырехуровневые системы.
4.4. Оптические резонаторы и порог лазерной генерации.
4.5. Лазерные характеристики.
4.5.1. Внутренние лазерные характеристики и фиксация усиления
4.5.2. Выходная мощность
4.5.3. Спектральные характеристики
4.6. Резонаторные скоростные уравнения и динамические характеристики лазеров.
4.6.1. Демпфированные колебания
4.6.2. Демпфирование лазерного резонатора модуляцией потерь (переключение добротности)
4.6.3. Синхронизация мод
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 4.
4.А. Эффект спонтанной эмиссии и фотонная конденсация
4.Б. Насыщение в лазерных усилителях
4.В. Электродинамические лазерные уравнения: электромагнитные основы синхронизации мод.
4.Г. Предел Шавлова-Таунса и сила ланжевеновского шума
4.Д. Пример: лазеры с диодной накачкой.
ГЛАВА 5. ЗОННАЯ СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВ.
5.1. Введение.
5.2. Кристаллические структуры, блоховские функции и зона Бриллюэна
5.3. Энергетические зоны
5.4. Эффективная масса и плотность состояний
5.5. Динамическая интерпретация эффективной массы и концепции дырок.
5.6. Статистика носителей заряда в полупроводниках.
5.6.1. Статистика Ферми и уровень Ферми
5.6.2. Собственные полупроводники
5.6.3. Легированные полупроводники
5.6.4. Квазиуровень Ферми в неравновесной системе
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 5
5.А. Модель почти свободных электронов.
5.Б. Линейная комбинация атомных орбиталей: модель жесткой связи.
5.В. К·p-метод Кейна
5.Г. Глубокие центры в полупроводниках
ГЛАВА 6. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
6.1. Введение
6.2. Уравнение Больцмана
6.3. Механизмы рассеяния
6.4. Горячие электроны
6.4.1. Теплые электроны
6.4.2. Горячие электроны: насыщение скорости
6.4.3. Горячие электроны: отрицательная дифференциальная скорость
6.5. Рекомбинация
6.6. Уравнения переноса в полупроводниках
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 6
6.А. Эффект Холла
6.Б. Оптические фононы и фрелиховское взаимодействие
6.Б.1. Фононы
6.Б.2. Фрелиховское взаимодействие
6.В. Лавинный пробой
6.Г. Оже-рекомбинация
ГЛАВА 7. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
7.1. Введение
7.2. Дипольные моменты в прямозонных полупроводниках
7.3. Оптическая восприимчивость полупроводника
7.4. Поглощение и спонтанное излучение
7.5. Коэффициент бимолекулярной рекомбинации
7.6. Условия оптического усиления в полупроводниках
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 7
7.А. Модуляторы электропоглощения на эффекте Франца-Келдыша
7.Б. Коэффициент оптического преломления полупроводников
7.Б.1. Средний и дальний ИК-диапазоны
7.Б.2. Диапазон вблизи края запрещенной зоны
7.В. Поглощение на свободных носителях
ГЛАВА 8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ И КВАНТОВЫЕ ЯМЫ
8.1. Введение
8.2. Формализм огибающей функции
8.3. Квантовая яма
8.4. Плотность состояний и статистика системы с квантовой ямой
8.5. Оптические межзонные переходы в квантовой яме
8.5.1. Дырочные состояния в валентных зонах
8.5.2. Оптические переходы между валентной зоной и зоной проводимости
8.6. Оптические межподзонные переходы в квантовой яме
8.7. Оптическое поглощение и угол падения
8.7.1. Сводка по скоростям межзонных и межподзонных переходов
8.7.2. Влияние угла падения
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 8
8.А. Квантовые нити и ящики
8.Б. Экситоны
8.Б.1. Трехмерные экситоны
8.Б.2. Двумерные экситоны
8.В. Квантово-размерный эффект Штарка и модуляторы с собственным электрооптическим эффектом
8.Г. Валентные подзоны
ГЛАВА 9. ВОЛНОВОДЫ
9.1. Введение
9.2. Геометрический подход к волноводам
9.3. Колебательный подход к волноводам
9.4. Оптическое ограничение
9.5. Взаимодействие между волноводными модами: теория связанных мод
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 9
9.А. Оптическое взаимодействие между волноводами: электрооптические переключатели
9.Б. Брэгговские волноводы
9.В. Преобразование частоты в нелинейных волноводах
9.В.1. Режим с входящей ТЕ-модой и выходящей ТЕ-модой
9.В.2. Режим с входящей ТЕ-модой и выходящей ТМ-модой
9.Г. Резонаторы Фабри-Перо и брэгговские отражатели
9.Г.1. Резонатор Фабри-Перо
9.Г.2. Брэгговские зеркала
ГЛАВА 10. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПРИБОРОВ
10.1. Введение
10.2. Поверхностные явления
10.3. Переход с барьером Шотки
10.4. p-n-переход
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 10
10.А. Несколько вариантов диодов
10.А.1. Диод с p-n-гетеропереходом
10.А.2. p-i-n-диод
10.Б. Ток утечки диода
ГЛАВА 11. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ
11.1. Введение
11.2. Распределение носителей в фотовозбужденном полупроводнике
11.3. Фотопроводники
11.3.1. Обнаружительная способность фотодиода
11.3.2. Обнаружительная способность фотопроводника
11.3.3. Время отклика фотопроводника
11.4. Фотовольтаические приемники излучения
11.4.1. Обнаружительная способность фотодиода
11.4.2. Время отклика фотодиода
11.5. Фотоприемник с внутренней эмиссией
11.6. Квантово-размерные фотоприемники
11.7. Лавинные фотоприемники
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 11
11.А. Шум фотоприемника
11.А.1. Флуктуации
11.А.2. Физическая природа шума
11.А.3. Тепловой шум
11.А.4. Генерационно-рекомбинационный шум
11.А.5. Шум умножения
11.Б. Пределы обнаружительной способности: функциональные характеристики, ограниченные фоном (BLIP)
ГЛАВА 12. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ
12.1. Введение
12.2. Механическое описание генерации второй гармоники
12.3. Электромагнитное описание нелинейной квадратичной оптической восприимчивости
12.4. Оптическая генерация второй гармоники
12.5. Соотношения Мэнли-Роу
12.6. Параметрическое усиление
12.7. Оптические параметрические генераторы
12.7.1. Оптические параметрические генераторы с простым резонансом (SROPO)
12.7.2. Оптические параметрические генераторы с двойным резонансом (DROPO).
12.8. Суммарная частота, разностная частота и параметрическое усиление
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 12
12.А. Квантовая модель квадратичной нелинейной восприимчивости
12.Б. Способы реализации фазового согласования в полупроводниках
12.Б.1. Согласование фаз в режиме двулучепреломления
12.Б.2. Квазифазовое согласование
12.В. Обеднение накачки при параметрических взаимодействиях
12.Г. Спектральные и временные характеристики оптических параметрических генераторов
12.Д. Параметрические взаимодействия в лазерных резонаторах
12.Е. Характеристики непрерывных параметрических генераторов в непрерывном режиме
12.Е.1. ОРО с одиночным резонансном
12.Е.2. ОРО с двойным резонансом: сбалансированный DROPO
12.Е.3. Оптический параметрический генератор (ОРО) с двойным резонансом: общий случай
ГЛАВА 13. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ И ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ
13.1. Введение
13.2. Электрическая инжекция и неравновесная концентрация носителей
13.3. Электролюминесцентные диоды
13.3.1. Электролюминесценция
13.3.2. Внутренняя и внешняя эффективность СИД
13.3.3. Несколько приборных вопросов
13.4. Оптическое усиление в диодах с гетеропереходами
13.5. Лазерные диоды с двойным гетеропереходом
13.5.1. Лазерный порог
13.5.2. Выходная мощность
13.6. Квантово-размерные лазерные диоды
13.6.1. Оптическое усиление в квантово-размерной структуре: общий случай
13.6.2. Порог прозрачности
13.6.3. Лазерный порог квантово-размерного лазера
13.6.4. Правила масштабирования для лазеров с набором квантовых ям
13.7. Динамические аспекты лазерных диодов
13.8. Характеристики излучения лазерного диода
13.8.1. Спектральное распределение
13.8.2. Пространственное распределение
ДОПОЛНЕНИЯ К ГЛАВЕ 13
13.А. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB-лазеры)
13.Б. Лазеры с напряженными квантовыми ямами
13.В. Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL)
13.В.1. Условия достижения порога в VCSEL
13.В.2. Функционирование VCSEL
13.Г. Тепловые аспекты лазерных диодов и мощных приборов
13.Д. Спонтанная эмиссия в полупроводниковых лазерах
13.Е. Насыщение усиления и K-фактор
13.Ж. Шум и ширина полосы лазерного диода
13.Ж.1. Уширение линии излучения
13.Ж.2. Относительная интенсивность шума (RIN) и баланс оптической связи
13.З. Униполярные квантово-каскадные лазеры
13.И. Конкуренция мод: перекрестные модуляторы
Приложение. Свойства основных полупроводниковых материалов