二極管激光器與集成光路

　　二極管激光器已經(jīng)成為重要的商業(yè)產(chǎn)品。從光盤播放機(jī)中的讀寫頭到光纖通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)，二極管激光器已被廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域。隨著產(chǎn)品的可靠性和制造工藝的提高，不僅在消費(fèi)產(chǎn)品中，而且在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和電信網(wǎng)中，二極管激光器都有了新的應(yīng)用。雖然基于GaAs的“短”波長（大約0.07～0.09／μm）激光器和基于InP的“長”波長（大約1.3～1.6μm）激光器仍然能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要，但對于波長更短的可見光范圍，以及波長更長的IR范圍，人們的關(guān)注程度都在不斷提高，并在開發(fā)各種相應(yīng)的實(shí)用光源。對于研究生和有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說，在這樣一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域里，既要掌握基礎(chǔ)知識又要了解最先進(jìn)的前沿動(dòng)態(tài)就變得非常困難。 本書的目的是為有一定理論基礎(chǔ)的學(xué)生提供一本二極管激光器和相關(guān)的集成光路方面的教科書。本書所介紹的大多是很前沿的領(lǐng)域，但同時(shí)也提供了許多基本的背景材料。附錄中既包含了各種背景材料，也包含了對一些更為前沿課題的更詳細(xì)的闡述。因此通過適當(dāng)?shù)厥褂酶戒?，可以使本書成為不同程度學(xué)生的學(xué)科教材，并且本書內(nèi)容完備，自成體系。 本書適合研究生水平。學(xué)生需要掌握基本的本科程度的量子力學(xué)。固體物理和電磁場理論知識，并且最好能夠先修一門光電子入門課程。不過，附錄1和3介紹了所需的大部分基礎(chǔ)識。因此，只要讀者能夠仔細(xì)研讀這些附錄，即使略微欠缺某些背景知識也可以使用該書。實(shí)際上，第1章至第 章以及附錄1至附錄7全面地介紹了大多數(shù)種類的二極管激光器，用這些內(nèi)容就可以為那些缺乏所需背景知識的學(xué)生開設(shè)一門相對基礎(chǔ)的課程。也就是說，用這些內(nèi)容甚至可以開設(shè)本科高年級的課程。 另一方面，如果要用本書作為研究生高級教材，則無需包括前7個(gè)附錄的內(nèi)容（當(dāng)然，這些內(nèi)容仍可以作為參考，隨附習(xí)題也可以作為作業(yè)，以確保學(xué)生理解這些內(nèi)容。不過，附錄5闡述了模式增益和損耗的定義，由于業(yè)界的很多人士對這一概念都不甚了解，因此我們?nèi)越ㄗh復(fù)習(xí)該附錄）。在較快地講完前3章后，可以進(jìn)入第4、5兩章，這兩章詳細(xì)分析了增益和激光器動(dòng)態(tài)。若要更詳盡地分析增益的物理機(jī)理，可以講授附錄8至附錄12中的某些內(nèi)容。 引入這些內(nèi)容可以為這一重要問題提供完整的分析。 第6章至第8章分析了有關(guān)二極管激光器的各種電磁波問題，這些內(nèi)容對于理解現(xiàn)代通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)中采用的各類先進(jìn)器件都是比較基本的內(nèi)容。不過，把這些材料留到最后，可以使學(xué)生首先對激光器的工作原理有較為全面的理解和掌握，而不至于被側(cè)向波導(dǎo)分析所需的各種數(shù)學(xué)方法所困擾。這樣，只通過一門課程就可以獲得對激光器工作性能的理解和分析能力。第6章介紹了微擾和耦合模理論，第7章介紹了介電波導(dǎo)分析方法。第6章是為了強(qiáng)調(diào)其內(nèi)容的普遍性，我們無需了解側(cè)向模式分布的細(xì)節(jié)就可以推導(dǎo)出這些非常有用的方法。利用這些耦合模結(jié)果，我們將再次分析光柵和DFB激光器。 多年來，人們用來分析這些器件的主要都是這些方法。但是，本書在第3章中，首先利用了精確的矩陣相乘方法來分析基于光柵的DFB和DBR激光器，由此所得的近似公式與耦合模理論結(jié)果推導(dǎo)出的公式是一致的。由于計(jì)算機(jī)的普及，以及采用復(fù)光柵設(shè)計(jì)的具有多個(gè)獨(dú)立節(jié)段的激光器的出現(xiàn)，我們認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)把矩陣相乘法作為主要方法傳授給學(xué)生。垂直腔激光器的出現(xiàn)也證實(shí)了這一方法的價(jià)值。然而，應(yīng)該認(rèn)識到，耦合模理論有利于將復(fù)波導(dǎo)幾何特性的描述簡化為簡單的解析公式，這對于設(shè)計(jì)工作尤為有用。第8章將前7章中的大多數(shù)知識結(jié)合起來，提供了一套相對復(fù)雜的集成光路的設(shè)計(jì)實(shí)例。 第7章和第8章還介紹了一些基本的數(shù)值方法。隨著成本較低的工作站和相關(guān)軟件的出現(xiàn)，這些方法在求解復(fù)矩陣方程方面的作用日益增加。第7章為光波導(dǎo)分析引入了有限差分法，第8章為分析實(shí)際的PIC結(jié)構(gòu)而介紹了光束傳輸法。 與該領(lǐng)域的其他教科書不同，本書是一本工程教材。學(xué)生在深入了解復(fù)雜的物理細(xì)節(jié)（諸如材料增益過程或者介電波導(dǎo)中的模式耦合）之前，首先應(yīng)掌握一些能力，即根據(jù)對物理表象的理解來解決一些實(shí)際的二極管激光器問題的能力。這樣既可以激勵(lì)大家學(xué)習(xí)基礎(chǔ)原理細(xì)節(jié)，又提供了一套工具，可以將每次學(xué)到的新知識點(diǎn)立刻用于解決實(shí)際問題。本書也注重了描述的準(zhǔn)確性和一致性。比如，書中仔細(xì)區(qū)分了LED和激光器的內(nèi)部量子效益，計(jì)算增益時(shí)不但闡明了分析方法，而且顯示了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性。最后，我們注意將所有章節(jié)和附錄中的符號保持一致，從而保證了全書內(nèi)容的完整性。

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