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光电子器件设计、建模与仿真

作者: [加] 李洵著 , 李蔚译 , 陈四海译 , 黄黎蓉译 , 现代雷达目标检测理论与方法编纂

出版社: 科学出版社

出版时间: 2014-08

版次: 1

ISBN: 9787030414106

定价: 95.00

装帧: 平装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 332页

字数: 415千字

正文语种: 简体中文

原版书名: Optoelectronic Devices Design,Modeling,and Simulation

丛书: 国外信息科学与技术优秀图书系列

分类: 工程技术

4 张插图图片

16人买过

光电子器件设计、建模与仿真系统介绍半导体光电子器件设计中的物理模型和数值分析方法。全书共12章，主要分为三部分。第1部分为第2～5章，涵盖光电子器件中描述各相关物理过程的主导方程的推导和解释；第二部分为第6～9章，介绍第1部分所涉及的主导方程的数值求解技术，并讲解将其整合应用于器件仿真中的方法；第三部分为第10～12章，提供基于前述建模和求解技术的光电子器件设计与仿真实例，包括半导体激光器、电吸收调制器、半导体光放大器、超辐射发光二极管等，以及这些器件的单片集成。作者：（加拿大）李洵译者：陈四海黄黎蓉李蔚
译者序前言
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493.1.3k=0处的解——KAne模型57
3.1.4k≠0处的解——Luttinger-Kohn模型63
3.1.54×4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
3.4k-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1254.4.3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1908.1.2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
10.3.1FAbry-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·25711.1.1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ALowdin重整化理论298
附录B多体增益模型中的积分300
附录C5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
内容简介:
光电子器件设计、建模与仿真系统介绍半导体光电子器件设计中的物理模型和数值分析方法。全书共12章，主要分为三部分。第1部分为第2～5章，涵盖光电子器件中描述各相关物理过程的主导方程的推导和解释；第二部分为第6～9章，介绍第1部分所涉及的主导方程的数值求解技术，并讲解将其整合应用于器件仿真中的方法；第三部分为第10～12章，提供基于前述建模和求解技术的光电子器件设计与仿真实例，包括半导体激光器、电吸收调制器、半导体光放大器、超辐射发光二极管等，以及这些器件的单片集成。
作者简介:
作者：（加拿大）李洵译者：陈四海黄黎蓉李蔚
目录:

译者序前言
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493.1.3k=0处的解——KAne模型57
3.1.4k≠0处的解——Luttinger-Kohn模型63
3.1.54×4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
3.4k-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1254.4.3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1908.1.2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
10.3.1FAbry-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·25711.1.1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ALowdin重整化理论298
附录B多体增益模型中的积分300
附录C5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

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