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第1章 绪论1

1.1 器件的物理基础1

1.2 建模和仿真方法1

1.3 建模研究对象2

1.4 器件建模技术3

1.5 本书主要内容4

第2章 光学模型5

2.1 有源介质中的波动方程5

2.1.1 麦克斯韦方程组5

2.1.2 波动方程6

2.2 时域内约化的波动方程8

2.3 空域内约化的波动方程9

2.4 时域与空域内同时约化的波动方程——行波光场模型10

2.4.1 完全限制结构中的波动方程10

2.4.2 部分限制结构中的波动方程15

2.4.3 周期性波纹结构中的波动方程18

2.5 宽带行波光场模型26

2.5.1 直接卷积模型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 时空分离的驻波光场模型34

2.7 光子速率方程和相位方程——光场行为模型40

2.8 自发辐射噪声的处理40

参考文献44

第3章 材料模型Ⅰ：半导体能带结构47

3.1 体材料半导体中的单电子能带47

3.1.1 薛定谔方程和哈密顿算符47

3.1.2 布洛赫定理和能带结构49

3.1.3 k=0处的解——Kane模型57

3.1.4 k≠0处的解——Luttinger-Kohn模型63

3.1.5 4×4哈密顿算符和轴向近似下的解68

3.1.6 不同半导体材料的哈密顿算符71

3.2 半导体量子阱结构中的单电子能带72

3.2.1 有效质量理论和约束方程72

3.2.2 导带（无简并）75

3.2.3 价带（有简并）76

3.2.4 量子阱能带结构78

3.3 应变层结构中的单电子能带82

3.3.1 一般性方法82

3.3.2 应变体材料半导体84

3.3.3 应变量子阱结构85

3.3.4 闪锌矿结构的半导体86

3.4 k-p理论总结88

参考文献89

第4章 材料模型Ⅱ：光学增益92

4.1 考虑多体效应的综合模型92

4.1.1 引言92

4.1.2 海森堡方程93

4.1.3 综合模型93

4.1.4 一般性约束方程98

4.2 自由载流子模型——零阶解108

4.2.1 自由载流子模型108

4.2.2 载流子速率方程109

4.2.3 极化激元的速率方程112

4.2.4 极化率113

4.3 屏蔽的库仑相互作用模型——一阶解113

4.3.1 屏蔽的库仑相互作用模型113

4.3.2 屏蔽的库仑势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 多体相关模型——二阶解125

4.4.1 多体相关模型125

4.4.2 半解析解125

4.4.3 全数值解127

参考文献131

第5章 载流子输运和热扩散模型133

5.1 载流子输运模型133

5.1.1 泊松方程和载流子连续性方程133

5.1.2 非有源区的漂移和扩散模型134

5.1.3 有源区的载流子输运模型135

5.1.4 载流子输运模型的简化139

5.1.5 自由载流子输运模型141

5.1.6 复合速率142

5.2 载流子速率方程模型144

5.3 热扩散模型145

5.3.1 经典热扩散模型145

5.3.2一维热扩散模型148

参考文献148

第6章 光学方程的求解方法151

6.1 横截面上的光场模式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 由数字滤波器实现的时域卷积165

6.3 驻波方程167

参考文献173

第7章 材料增益方程的求解方法176

7.1 单电子能带结构176

7.2 材料增益计算176

7.2.1 自由载流子增益模型176

7.2.2 屏蔽的库仑相互作用增益模型181

7.2.3 多体增益模型181

7.3 材料模型的参量化186

参考文献187

第8章 载流子输运和热扩散方程的求解方法189

8.1 静态载流子输运方程189

8.1.1 尺度换算190

8.1.2 边界条件191

8.1.3 初始解192

8.1.4 有限差分离散化193

8.1.5 非线性代数方程的求解202

8.2 瞬时载流子输运方程205

8.3 载流子速率方程206

8.4 热扩散方程206

参考文献208

第9章 器件性能的数值分析210

9.1 一般方法210

9.1.1 材料增益的处理210

9.1.2 准三维处理212

9.2 器件性能分析213

9.2.1 稳态分析213

9.2.2 小信号动态分析215

9.2.3 大信号动态分析217

9.3 模型的标定和验证218

参考文献221

第10章 半导体激光器的设计和模拟实例223

10.1 增益优化的有源区结构设计和模拟223

10.1.1 有源区材料223

10.1.2 有源区结构227

10.2 光场和载流子限制优化的横截面结构设计和模拟230

10.2.1 横截面叠层设计的一般考虑230

10.2.2 脊波导结构232

10.2.3 掩埋异质结结构235

10.2.4 脊波导与掩埋异质结结构的比较238

10.3 激射振荡优化的腔结构设计和模拟239

10.3.1 Fabry-Perot激光器239

10.3.2 通过光栅设计实现不同耦合机制的分布反馈激光器242

10.3.3 多段结构激光器的设计249

参考文献253

第11章 其他单一光电器件的设计和模拟实例257

11.1 电吸收调制器257

11.1.1 器件结构257

11.1.2 材料特性和器件性能模拟258

11.1.3 高消光比和低插入损耗的设计263

11.1.4 偏振无关吸收的设计265

11.2 半导体光放大器267

11.2.1 器件结构267

11.2.2 性能模拟268

11.2.3 提高性能的设计272

11.3 超辐射发光二极管272

11.3.1 器件结构272

11.3.2 性能模拟273

11.3.3 提高性能的设计275

参考文献278

第12章 集成光电器件的设计与模拟实例281

12.1 集成半导体分布反馈激光器与电吸收调制器281

12.1.1 器件结构281

12.1.2 集成界面283

12.1.3 分布反馈激光器性能模拟284

12.1.4 电吸收调制器性能模拟285

12.2 集成半导体分布反馈激光器与监测光探测器288

12.2.1 器件结构288

12.2.2 激光器性能模拟291

12.2.3 信道间串扰的模拟292

参考文献296

附录A Lowdin重整化理论298

附录B 多体增益模型中的积分300

附录C 5阶Runge-Kutta方法的Cash-Karp实现312

附录D 稀疏线性方程的解法313

D.1 直接法313

D.2 迭代法315

参考文献319