基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法
【專利摘要】一種考慮熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法，建立THzQCL有源層的單級光增益系數(shù)G的理論計算公式、相應(yīng)的電子速率方程和光子速率方程，建立THzQCL的熱速率方程，聯(lián)立得到表征THzQCL內(nèi)部載流子輸運(yùn)和熱效應(yīng)的物理方程模型，然后得到相應(yīng)的等效電路模型；建立表征THzQCL輸入端電氣特性的等效電路模型，建立表征THzQCL輸出端光功率特性的等效電路模型；最后建立電路宏模型，包括一個電氣端口和一個光功率輸出端口，基于電路宏模型進(jìn)行光電性能仿真和溫度性能測試。本發(fā)明可測試溫度對THzQCL各種光電性能的影響；可支持實現(xiàn)對THzQCL光電性能的模擬和仿真，提高了仿真速度和效率，并能滿足實際光電集成電路設(shè)計應(yīng)用中對光電子器件實現(xiàn)光電混合仿真的需要。
【專利說明】基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】，主要是一種新型半導(dǎo)體激光器的電路建模方法，尤其是涉及一種基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自2002年世界上第一個太赫茲量子級聯(lián)激光器(terahertz quantum cascadelaser, THz QCL)研制成功以來，在眾多THz輻射產(chǎn)生方式中，QCL以其能量轉(zhuǎn)換效率高、體積小、輕便和易集成等優(yōu)點成為未來太赫茲研究領(lǐng)域的首選光源。目前試制成功的THz QCL器件主要是以GaAs/AlGaAs材料體系共振聲子結(jié)構(gòu)的QCL為主，此外研究人員對Ge/SiGe材料體系、InGaAs/AlInGaAs/InP材料體系也進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計研究。
[0003]THz QCL是一個多周期級聯(lián)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體子帶間器件。電子通過在有源層的不同子能級之間的光學(xué)躍遷來輻射出光子。與此同時，它可以通過與聲子、雜質(zhì)以及其他電子的相互作用，從一個周期注入下一個周期。對以上器件內(nèi)部載流子輸運(yùn)過程的深入研究能夠為器件有源層的設(shè)計以及器件性能的改進(jìn)提供有益的指導(dǎo)。目前國內(nèi)外對THz QCL載流子輸運(yùn)特性的研究大體可分為三類:
[0004](I)量子動力學(xué)方法:基于固體中準(zhǔn)粒子的波動特性，準(zhǔn)粒子間的相互作用運(yùn)用波的干涉方法進(jìn)行描述，使用量子動力學(xué)的方法來處理載流子輸運(yùn)過程中的各種散射機(jī)制和邊界條件，主要的方法包括非平衡格林函數(shù)方法、密度矩陣方法和維格納函數(shù)方法等。
[0005]( 2 )蒙特卡洛方法:該方法通過跟蹤大量載流子在電場和磁場作用下的運(yùn)動，得到器件內(nèi)部的載流子分布。載流子在器件內(nèi)部的運(yùn)動被分為電磁場作用下的漂移和與其他載流子、雜質(zhì)、和聲子等準(zhǔn)粒子的散射兩部分。在漂移部分，載流子的運(yùn)動用經(jīng)典的牛頓運(yùn)動定律描述，而載流子與其他準(zhǔn)粒子的散射概率則通過量子力學(xué)中的費米黃金法則來計算。
[0006](3)速率方程方法:通過計算由各種散射機(jī)制引起的電子在子帶間的躍遷概率和子帶間躍遷的弛豫時間，并根據(jù)各弛豫時間寫出一組各個子帶的粒子占據(jù)數(shù)方程，最后通過自洽求解該方程組得到各個子帶的電子占據(jù)數(shù)。
[0007]上述研究中對THz QCL內(nèi)部光電特性的模擬研究均是借鑒中紅外QCL的研究成果，以數(shù)值模擬方法進(jìn)行計算和仿真。數(shù)值模擬方法的優(yōu)點是仿真準(zhǔn)確、精度高，但其也存在計算量大、仿真時間長，適應(yīng)性差的缺點。此外，當(dāng)包含寄生元件和驅(qū)動電路時，無法采用數(shù)值方法對器件進(jìn)行電路模擬分析。
[0008]電路建模方法作為構(gòu)建新型半導(dǎo)體器件等效電路模型，實現(xiàn)器件電路級的模擬分析的一種重要定模方法，是現(xiàn)代光電集成回路計算機(jī)輔助設(shè)計的重要組成部分，在大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，光電集成電路以及光電混合電路設(shè)計等研究領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用。它是一種直接從描述器件性能的物理方程出發(fā)通過適當(dāng)?shù)恼淼玫狡骷刃щ娐纺Ｐ偷姆椒ā?br> [0009]對于THz QCL，人們最為關(guān)心的是其溫度性能。為了提高THz QCL器件的工作溫度，就需要對有源層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時還需要對不同的微觀溫度效應(yīng)進(jìn)行量化分析。國內(nèi)外學(xué)者的研究雖不同程度的關(guān)注了溫度對THz QCL器件內(nèi)部載流子輸運(yùn)性能的影響，但仍未形成有效的方法將熱載流子的輸運(yùn)效應(yīng)與器件的光電特性模擬仿真整合到一起。這些方法要么只關(guān)注于熱沉溫度對器件激射光譜的影響，要么關(guān)注于熱聲子效應(yīng)及溫度對熱聲子數(shù)、激射能級壽命的影響。在模擬THz QCL器件光電特性熱效應(yīng)仿真方面，目前尚缺乏適用的方法模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出一種基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模方法。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1，根據(jù)THz QCL有源層的單級光增益與晶格溫度T的關(guān)系，建立THz QCL有源層的單級光增益系數(shù)G的理論計算公式如下，
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，根據(jù)THz QCL有源層的單級光增益與晶格溫度T的關(guān)系，建立THz QCL有源層的單級光增益系數(shù)G的理論計算公式如下，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法，其特征在于:步驟2中， 所述n (T)使用以下擬合公式得到，
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模方法，其特征在于:步驟6實現(xiàn)方式如下， ①首先，設(shè)Pl為等效電信號輸入端口，首先用一個理想二級管Dl與一個電阻Rd串聯(lián)于Pl之間，作為表征THz QCL輸入電氣特性的等效電路模型相應(yīng)子電路，I表示流經(jīng)理想二極管Dl的電流，將器件輸入端的電壓V定義為電流I和溫度T的函數(shù)V (I，Τ)如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模仿真方法，其特征在于:步驟7實現(xiàn)方式如下， ①首先，列寫出激光器輸出光功率Pwt與光子數(shù)S的數(shù)學(xué)表達(dá)式

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于熱效應(yīng)的太赫茲量子級聯(lián)激光器電路建模方法，其特征在于:步驟7中，建立基于熱效應(yīng)的表征THz QCL光電性能的電路宏模型實現(xiàn)方式如下，首先，運(yùn)用電路仿真軟件工具HSPICE新建一個具有兩端口的電路宏模型ThzQCLModel，定義兩端口屬性，端口 Nin為激光器電氣輸入端口，端口 NPout為激光器光功率輸出端口 ；然后運(yùn)用子電路描述語言將步驟5、6、7中建立的各子電路表述出來；最后將步驟6中建立的等效電信號輸入端口 Pl與電路宏模型ThzQCL Model的端口 Nin相連，將步驟7中建立的等效光功率輸出端口 P2與電路宏模型ThzQCL Model的端口 NPout相連。
【文檔編號】G06F17/50GK103500239SQ201310373177
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】祁昶, 石新智 申請人:武漢大學(xué)