国外电子与通信教材系列：光子器件物理（第2版）

《国外电子与通信教材系列：光子器件物理（第2版）》既可作为光学、光电子学、光电集成、光学工程、电子科学与技术、电子工程、物理学和材料学等专业或领域的研究生或高年级本科生的教材，也可以作为相关科技人员的一本非常有用的参考读物。

《国外电子与通信教材系列：光子器件物理（第2版）》共15章，主要内容包括：光子器件的理论基础，即量子力学和半导体物理；光传输的电磁场理论、光在各向异性介质中的传输、光波导理论和耦合模理论；半导体中的光学过程、半导体激光器基础和先进半导体激光器；半导体激光器的直接调制、电光调制器、声光调制器和电吸收调制器；光的探测和太阳能电池。
《国外电子与通信教材系列：光子器件物理（第2版）》着重从物理概念上解释了关键光子器件的工作原理、主要结构以及最新的研究进展，不但特别强调了光子器件的理论，给出了严格的理论推导，而且还给出了理论和实验结果的比较。每一章末尾列出了主要参考资料，并附有习题。

第1章 绪论
1.1 半导体能带的基本概念和键合图
1.2 半导体激光器的发明
1.3 光电子学领域
1.4 本书概述
习题
参考文献
参考书目
第1部分 基础理论

第2章 半导体电子学基础
2.1 麦克斯韦方程组和边界条件
2.1.1 MKS单位的麦克斯韦方程组
2.1.2 边界条件
2.1.3 准静电场
2.2 半导体电子学方程组
2.2.1 泊松方程
2.2.2 连续性方程组
2.2.3 载流子输运方程
2.2.4 辅助关系
2.2.5 边界条件
2.3 半导体中的产生和复合
2.3.1 辐射跃迁的带间产生-复合过程
2.3.2 非辐射跃迁的产生-复合过程
2.3.3 本征量子效率
2.3.4 受激辐射过程引起的复合
2.3.5 碰撞电离产生-复合过程
2.4 产生-复合在光电子器件中的应用及举例
2.4.1 均匀光注入
2.4.2 非均匀载流子产生
2.5 半导体p-N和n-P异质结
2.5.1 无偏置p-N结的耗尽近似
2.5.2 偏置p-N结
2.5.3 准费米能级和少数载流子注入
2.5.4 电流密度和I-V特性
2.5.5 半导体n-P异质结
2.6 半导体n-N异质结和金属-半导体结
2.6.1 半导体n-N异质结
2.6.2 金属-半导体结
习题
参考文献

第3章 量子力学基础
3.1 薛定谔方程
3.2 方势阱
3.2.1 无限高势垒模型
3.2.2 有限高势垒模型
3.3 谐振子
3.4 氢原子及二维和三维空间中的激子
3.4.1 三维解
3.4.2 二维解
3.5 与时间无关的微扰理论
3.5.1 微扰法
3.5.2 矩阵表述
3.6 与时间有关的微扰理论
附录3A Lwdin再归一化(renormalization)方法
习题
参考文献

第4章 半导体中的电子能带结构理论
4.1 布洛赫定理和简单能带的kp方法
4.1.1 单一能带的kp理论
4.1.2 二能带（或非简并多能带）模型的kp理论
4.2 能带结构的Kane模型：考虑自旋-轨道相互作用的kp方法
4.2.1 函数unk(r)的薛定谔方程
4.2.2 基函数和哈密顿矩阵
4.2.3 哈密顿矩阵的本征值和本征函数的解
4.2.4 本征能量和对应带边基函数总结
4.2.5 一般坐标方向
4.3 Luttinger-Kohn模型：简并能带的kp方法
4.3.1 哈密顿量和基函数
4.3.2 利用Lwdin微扰法的哈密顿量的解
4.3.3 总结
4.4 单一能带和简并能带的有效质量理论
4.4.1 单一能带的有效质量理论
4.4.2 简并能带的有效质量理论
4.5 应变对能带结构的影响
4.5.1 应变半导体的Pikus-Bir哈密顿量
4.5.2 无自旋-轨道分裂带耦合的能带结构
4.5.3 具有自旋-轨道分裂带耦合的应变半导体的能带结构
4.6 任意一维势中的电子态
4.6.1 传输矩阵方程的推导及其本征值求解
4.6.2 调制掺杂量子阱的自洽解
4.6.3 n型调制掺杂量子阱
4.6.4 p型调制掺杂量子阱
4.6.5 电子和空穴布居数
4.7 超晶格的Kronig-Penney模型
4.7.1 传输矩阵的推导
4.7.2 本征值和本征矢的解
4.8 半导体量子阱的能带结构
4.8.1 导带
4.8.2 价带
4.8.3 子带色散的直接实验测量
4.8.4 Luttinger-Kohn哈密顿量的块对角化(Block Diagonalization)
4.8.5 Luttinger-Kohn哈密顿量的轴向近似
4.8.6 2×2上哈密顿量解的数值方法
4.8.7 2×2下哈密顿量解的数值方法
4.9 应变半导体量子阱的能带结构
4.9.1 应变量子阱的子带能量
4.9.2 应变量子阱的价带子带能量色散
习题
参考文献

第5章 电磁学和光的传输
5.1 时谐场和对偶原理
5.1.1 时谐场
5.1.2 电磁学中的对偶原理
5.2 坡印廷定理和倒易关系
5.2.1 坡印廷定理
5.2.2 倒易关系
5.3 均匀介质中麦克斯韦方程组的平面波解
5.4 光在各向同性介质中的传输
5.5 有损耗介质中的波传输：洛伦兹振子模型和金属等离子体
5.5.1 半导体中的传输常数和折射率
5.5.2 洛伦兹偶极子模型
5.5.3 导电介质
5.6 平面波在界面的反射
5.6.1 TE偏振
5.6.2 TM偏振
5.6.3 平面波传输的阻抗概念
5.7 矩阵光学
5.8 平面波在多层介质反射的传输矩阵法
5.9 周期介质中的波传输
5.9.1 色散图和阻带
5.9.2 平面波在分布布拉格反射器上的反射
附录5A Kramers-Kronig关系
习题
参考文献

第6章 光在各向异性介质中的传输和辐射
6.1 光在单轴介质中的传输
6.1.1 场解
6.1.2 k波面
6.1.3 折射率椭球
6.1.4 应用
6.2 旋光介质中的波传输：磁光效应
6.3 麦克斯韦方程组的通解和规范变换
6.4 辐射场和远场图样
6.4.1 辐射场的一般表达式
6.4.2 远场近似
习题
参考文献

第7章 光波导理论
7.1 对称介质平板波导
7.1.1 TE偏振的电场和导波条件的推导
7.1.2 图解导波条件
7.1.3 截止条件
7.1.4 低频极限和高频极限
7.1.5 传输常数kz和有效折射率neff
7.1.6 AlxGa1-xAs体系的折射率
7.1.7 光学模式的归一化常数
7.1.8 光限制因子Γ
7.1.9 TM模H=y Hy
7.2 非对称介质平板波导
7.2.1 TE偏振，E=y Ey
7.2.2 TM偏振，H=y Hy
7.3 波导问题的射线光学方法
7.4 矩形介质波导
7.4.1 HEpq模（或Ey(p+1)(q+1)模）
7.4.2 EHpq模（或Ex(p+1)(q+1)模）
7.5 有效折射率法
7.6 损耗或增益介质中的波传导
7.7 表面等离子体波导
7.7.1 单一界面的表面等离子体模式
7.7.2 金属平板中的表面等离子体模式
习题
参考文献

第8章 耦合模理论
8.1 波导耦合器
8.1.1 横向耦合器
8.1.2 棱镜耦合器
8.1.3 光栅耦合器
8.2 耦合光波导
8.2.1 耦合模理论的一般公式表述
8.2.2 本征解
8.2.3 耦合波导的通解
8.3 光波导耦合器的应用
8.3.1 光波导开关
8.3.2 Δβ耦合器
8.4 光环形谐振器和分插滤波器
8.4.1 波导环形谐振器系统的公式表述
8.4.2 光分插滤波器
8.4.3 耦合环光波导(CROW)结构
8.5 分布反馈(DFB)结构
8.5.1 耦合模方程的推导
8.5.2 耦合模方程的本征解
8.5.3 DFB结构的反射和透射
附录8A 平行波导的耦合系数
附录8B 改进的耦合模理论
习题
参考文献

第9章 半导体中的光学过程
9.1 利用费米黄金定则的光跃迁
9.1.1 电子-光子相互作用哈密顿量
9.1.2 由电子-光子相互作用引起的跃迁率
9.1.3 光吸收系数
9.1.4 介电常数的实部和虚部
9.2 自发辐射和受激辐射
9.2.1 光子的态密度
9.2.2 受激辐射和自发辐射：爱因斯坦A系数和B系数
9.2.3 光增益和自发辐射谱的推导
9.3 体半导体的带间吸收和增益
9.3.1 带间光学矩阵元的计算和k选择定则
9.3.2 光吸收谱
9.3.3 光增益谱
9.4 量子阱中的带间吸收和增益
9.4.1 量子阱的带间光学矩阵元
9.4.2 联合态密度和光吸收谱
9.4.3 准费米能级的确定
9.4.4 增益谱总结
9.4.5 理论增益谱及其和实验的比较
9.5 体半导体和量子阱半导体的带间动量矩阵元
9.5.1 体半导体的动量矩阵元
9.5.2 量子阱的动量矩阵元
9.6 量子点和量子线
9.6.1 量子点
9.6.2 量子线
9.7 子带间吸收
9.7.1 子带间偶极矩
9.7.2 子带间吸收谱
9.7.3 实验结果
9.7.4 子带间量子级联激光器
9.8 考虑价带混合效应的量子阱激光器的增益谱
9.8.1 考虑价带混合效应的增益谱的一般公式表述
9.8.2 动量矩阵元的计算
9.8.3 增益谱的最终表达式和数值例子
9.8.4 自发辐射谱和辐射电流密度
附录9 A 基函数的坐标变换和动量矩阵元
习题
参考文献

第10章 半导体激光器基础
10.1 双异质结半导体激光器
10.1.1 能带图和载流子注入
10.1.2 阈值条件
10.1.3 光功率输出：粗略推导
10.1.4 发光二极管和激光二极管：自发辐射和放大自发辐射所扮演的角色
10.1.5 放大自发辐射和光增益测量
10.2 增益导引和折射率导引半导体激光器
10.2.1 条形结构增益导引半导体激光器
10.2.2 折射率导引半导体激光器
10.3 量子阱激光器
10.3.1 一个简化的增益模型
10.3.2 电子和空穴准费米能级的确定
10.3.3 零温度增益谱
10.3.4 有限温度增益谱
10.3.5 峰值增益系数与载流子浓度的关系
10.3.6 多量子阱激光器的标度率
10.4 应变量子阱激光器
10.4.1 有效质量对增益和透明载流子浓度的影响
10.4.2 应变对带边能量的影响
……

译者序
光子学主要研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用，它是一门新兴的独立学科，也是一门交叉学科和前沿学科。与此同时，建立在光子学基础之上的光子技术，作为信息科学的支撑技术与电子技术相互渗透、补充，并发挥着越来越重要的作用。
光子器件作为光子学和光子技术的重要基础，不但推动了光子技术应用领域的发展，而且使光子学的作用和地位获得了社会的首肯和公认。虽然现已研发的光子器件已能在一定程度上满足很多科技领域发展的需求，但随着信息化社会的发展，不断地对光子器件提出新的要求，继续研发更高性能的光子器件是一项长期的创新性任务。而光子器件的研究必须建立在对固体中的光物理效应的充分掌握与运用的基础上，只有通过深入了解基本的物理学原理，才能发展新的概念并设计具有更高性能的新型光子器件。为此，非常需要一本能够全面介绍光子器件的基本物理原理和发展前沿的书籍，而本书正是这样一部光子学领域的权威著作。
本书作者庄顺连博士现任美国伊利诺伊大学香槟分校电子和计算机工程系MacClinchie杰出教授，是国际光电子学和光子学领域的著名学者，长期从事光电子、光子器件的科研和教学工作。本书正是作者多年科研和教学工作的结晶。书中着重从物理概念上解释关键光子器件的工作原理、主要结构以及最新的研究进展，不但特别强调光子器件的理论，给出了严格的理论推导，而且还给出了理论和实验结果的比较。此外，书中还有题材新颖、内容丰富的习题，并列出了一些深入学习的参考文献。这是一本优秀的教材，国外许多知名高校和科研院所采用它作为光电子、光电集成、光学工程、电子科学与技术、通信、材料科学等专业或领域的研究生或高年级本科生的教材，同时对从事光子学和光子技术研究的科技人员来说，本书也是一本非常有价值的参考读物。
我们特此将它翻译出来介绍给中文读者。翻译工作是由天津大学光纤非线性光子学研究室组织完成的，具体分工如下：王肇颖译第1章至第6章；贾东方译第7章至第13章和术语；杨天新译第14章；桑梅译第15章和附录；全书由贾东方审校统稿。葛春风、陈炯、王俊龙参与了翻译工作。
要特别提及的是，在本书的翻译和校对过程中，庄顺连教授给予了细致的指导和无私的帮助，在此向庄教授表示衷心的感谢和崇高的敬意。还要感谢电子工业出版社对翻译工作的大力支持，特别要衷心感谢本书的策划编辑马岚女士和责任编辑周宏敏女士，没有她们的辛勤付出，本书难以顺利出版。
由于译者学识所限，疏漏乃至错误在所难免，恳请广大读者及专家不吝赐教，提出修改意见，我们将不胜感激。