Dieses Lehrbuch verschafft dem Leser einen breiten Überblick zu Grundlagen und Anwendungen von Halbleiterlasern. International angesehene Wissenschaftler der University of Arizona diskutieren neben einfachen Heterostrukturen, Steuerung von Verstärkung und Brechungsindex sowie maßgebliche Konzepte der Halbleiterphysik. Semiconductor-Laser Physics discusses the underlying physics and operational principles of semiconductor lasers. The optical and electronic properties of the semiconductor medium are analyzed in detail, including quantum confinement and gain engineering effects. A semiclassical…mehr
Dieses Lehrbuch verschafft dem Leser einen breiten Überblick zu Grundlagen und Anwendungen von Halbleiterlasern. International angesehene Wissenschaftler der University of Arizona diskutieren neben einfachen Heterostrukturen, Steuerung von Verstärkung und Brechungsindex sowie maßgebliche Konzepte der Halbleiterphysik. Semiconductor-Laser Physics discusses the underlying physics and operational principles of semiconductor lasers. The optical and electronic properties of the semiconductor medium are analyzed in detail, including quantum confinement and gain engineering effects. A semiclassical and a quantum version of the laser theory are presented, including an analysis of single- and multimode operation, instabilities, laser arrays, and unstable resonators. Particular point of interest: A systematic and consistent quantum mechanical analysis of the semiconductor laser medium is presented, which allows one to obtain a hierachy of semiconductor laser models with different degrees of complexity.
Stephan W. Koch ist Physikprofessor an der Philipps-Universität Marburg und Adjunct Professor am Optical Sciences Center der Universität von Arizona, Tucson/USA. Nach seiner Promotion 1979 an der Goethe-Universität in Frankfurt arbeitete er als Gastwissenschaftler an dem IBM Research Laboratory in San Jose/USA und erhielt nach seiner Rückkehr und Habilitation in Frankfurt ein Heisenberg-Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft. 1986 begann er seine Tätigkeit an der Universität von Arizona erst als Associate Professor und ab 1989 als Full Professor. 1993 folgte er einem Ruf auf eine Professur für Theoretische Physik nach Marburg. Seine Fachgebiete umfassen die Theorie der kondensierten Materie, optische und elektronische Eigenschaften von Halbleitern, Vielteilchen-Wechselwirkungen, Halbleiternanostrukturen, kohärente und ultraschnelle Phänomene, die Theorie von Halbleiter-Lasern, Mikroresonatoren und photonischen Kristallen sowie quantenoptische Effekte in Halbleitern. 01 997 erhielt Stephan W. Koch den Leibniz Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 1999 den Max-Planck Forschungspreis der Humboldt Stiftung und Max-Planck Gesellschaft.
Inhaltsangabe
1. Semiconductor Laser Diodes 2. Basic Concepts 3. Free-Carrier Theory 4. Coulomb Effects 5. Many-Body Gain 6. Band Mixing and Strain in Quantum Wells 7. Semiclassical laser Theory 8. Multimode Operation 9. Quantum Theory of the Laser 10. Propagation Effects 11. Beyond Quasiequilibrium Theory, Appendices A-e, Index
1. Semiconductor Laser Diodes.- 1-1. The Diode.- 1-2. Basic Laser Device.- 1-3. Heterostructures.- 1-4. Gain and Index Guiding.- 1-5. Semiconductor Microlasers.- 1-6. Output Power-Current Characteristics.- 1-7. Frequency Spectrum.- 1-8. Transverse Mode Structure.- 1-9. Phenomenological Gain Model.- 2. Basic Concepts.- 2-1. Elementary Aspects of Band Structures.- 2-2. Units.- 2-3. Fermi-Dirac Distributions.- 2-4. Quantum Confinement.- 2-5. Slowly-Varying Maxwell Equations.- 2-6. Quantum Mechanics of the Semiconductor Medium.- 3. Free-Carrier Theory.- 3-1. Free-Carrier Equations of Motion.- 3-2. Quasiequilibrium Approximation.- 3-3. Semiconductor Gain.- 3-4. Temperature Dependence of Gain.- 3-5. Gain Saturation.- 3-6. Carrier-Induced Refractive Index.- 4. Coulomb Effects.- 4-1. Many-Body Hamiltonian.- 4-2. Plasma Screening.- 4-3. Semiconductor Bloch Equations.- 4-4. Bandgap Renormalization.- 4-5. Interband Coulomb Effects.- 4-6. Collision Processes.- 5. Many-Body Gain.- 5-1. Pad'e Approximation.- 5-2. Bulk Semiconductors.- 5-3. Quantum Wells.- 6. Band Mixing and Strain in Quantum Wells.- 6-1. Bloch Theorem.- 6-2. Electronic States at k = 0.- 6-3. k?p Theory.- 6-4. Luttinger Hamiltonian.- 6-5. Quantum Wells.- 6-6. Strained Quantum Wells.- 6-7. Bandstructure Calculation.- 6-8. GaAs-AlGaAs Quantum Wells.- 6-9. InGaAs-AlGaAs Strained Quantum Wells.- 6-10. InGaAs-InP.- 6-11. InGaP-InAlGaP.- 7. Semiclassical Laser Theory.- 7-1. Multimode Maxwell Equations.- 7-2. Single-Mode Semiconductor Laser Theory.- 7-3. Single-Mode Linear-Stability Analysis.- 7-4. Injection Locking.- 7-5. Coupled Resonators.- 7-6. Laser Arrays.- 8. Multimode Operation.- 8 -1. Multiwave Mixing.- 8-2. Short-Cavity Sidemode Interactions.- 8-3. Third-Order Multimode Equations.- 8-4. Single-Mode Operation.- 8-5. Two-Mode Operation.- 8-6. Three-Mode Operation and Mode Locking.- 8-7. Higher-Order Operation.- 9. Quantum Theory of the Laser.- 9-1. Single-Mode Field Quantization.- 9-2. Spontaneous Emission.- 9-3.Quantum Langevin Equations.- 9-4. Semiconductor Langevin Equations.- 9-5. Power Spectra and Laser Linewidth.- 10. Propagation Effects.- 10-1. Longitudinal Field Dependence.- 10-2. Lateral Field Distributions.- 10-3. Diffraction Effects.- 10-4. Filamentation in Amplifiers.- 10-5. Unstable Resonator Lateral Mode Stability.- 11. Beyond Quasiequilibrium Theory.- 11-1. Nonequilibrium Laser Theory.- 11-2. Numerical Results for VCSELs.- 11-3. Pulse Propagation in Semiconductor Amplifiers.- Appendix A: Two-Level Systems and Rate Equations.- Appendix B: k?p Theory.- Appendix C: Envelope Function Approach.- Appendix D: Strain Effects.- Appendix E: Some Langevin Goodies.
1. Semiconductor Laser Diodes 2. Basic Concepts 3. Free-Carrier Theory 4. Coulomb Effects 5. Many-Body Gain 6. Band Mixing and Strain in Quantum Wells 7. Semiclassical laser Theory 8. Multimode Operation 9. Quantum Theory of the Laser 10. Propagation Effects 11. Beyond Quasiequilibrium Theory, Appendices A-e, Index
1. Semiconductor Laser Diodes.- 1-1. The Diode.- 1-2. Basic Laser Device.- 1-3. Heterostructures.- 1-4. Gain and Index Guiding.- 1-5. Semiconductor Microlasers.- 1-6. Output Power-Current Characteristics.- 1-7. Frequency Spectrum.- 1-8. Transverse Mode Structure.- 1-9. Phenomenological Gain Model.- 2. Basic Concepts.- 2-1. Elementary Aspects of Band Structures.- 2-2. Units.- 2-3. Fermi-Dirac Distributions.- 2-4. Quantum Confinement.- 2-5. Slowly-Varying Maxwell Equations.- 2-6. Quantum Mechanics of the Semiconductor Medium.- 3. Free-Carrier Theory.- 3-1. Free-Carrier Equations of Motion.- 3-2. Quasiequilibrium Approximation.- 3-3. Semiconductor Gain.- 3-4. Temperature Dependence of Gain.- 3-5. Gain Saturation.- 3-6. Carrier-Induced Refractive Index.- 4. Coulomb Effects.- 4-1. Many-Body Hamiltonian.- 4-2. Plasma Screening.- 4-3. Semiconductor Bloch Equations.- 4-4. Bandgap Renormalization.- 4-5. Interband Coulomb Effects.- 4-6. Collision Processes.- 5. Many-Body Gain.- 5-1. Pad'e Approximation.- 5-2. Bulk Semiconductors.- 5-3. Quantum Wells.- 6. Band Mixing and Strain in Quantum Wells.- 6-1. Bloch Theorem.- 6-2. Electronic States at k = 0.- 6-3. k?p Theory.- 6-4. Luttinger Hamiltonian.- 6-5. Quantum Wells.- 6-6. Strained Quantum Wells.- 6-7. Bandstructure Calculation.- 6-8. GaAs-AlGaAs Quantum Wells.- 6-9. InGaAs-AlGaAs Strained Quantum Wells.- 6-10. InGaAs-InP.- 6-11. InGaP-InAlGaP.- 7. Semiclassical Laser Theory.- 7-1. Multimode Maxwell Equations.- 7-2. Single-Mode Semiconductor Laser Theory.- 7-3. Single-Mode Linear-Stability Analysis.- 7-4. Injection Locking.- 7-5. Coupled Resonators.- 7-6. Laser Arrays.- 8. Multimode Operation.- 8 -1. Multiwave Mixing.- 8-2. Short-Cavity Sidemode Interactions.- 8-3. Third-Order Multimode Equations.- 8-4. Single-Mode Operation.- 8-5. Two-Mode Operation.- 8-6. Three-Mode Operation and Mode Locking.- 8-7. Higher-Order Operation.- 9. Quantum Theory of the Laser.- 9-1. Single-Mode Field Quantization.- 9-2. Spontaneous Emission.- 9-3.Quantum Langevin Equations.- 9-4. Semiconductor Langevin Equations.- 9-5. Power Spectra and Laser Linewidth.- 10. Propagation Effects.- 10-1. Longitudinal Field Dependence.- 10-2. Lateral Field Distributions.- 10-3. Diffraction Effects.- 10-4. Filamentation in Amplifiers.- 10-5. Unstable Resonator Lateral Mode Stability.- 11. Beyond Quasiequilibrium Theory.- 11-1. Nonequilibrium Laser Theory.- 11-2. Numerical Results for VCSELs.- 11-3. Pulse Propagation in Semiconductor Amplifiers.- Appendix A: Two-Level Systems and Rate Equations.- Appendix B: k?p Theory.- Appendix C: Envelope Function Approach.- Appendix D: Strain Effects.- Appendix E: Some Langevin Goodies.
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