表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法，首先建立表征THzQCL有源层内部载流子输运特性的多模速率方程组；接着建立表征ThzQCL内部多模态效应的物理方程模型；然后通过变量代换和化简得到相应的等效电路模型；建立表征THzQCL输入端电气特性的等效电路模型；建立表征THzQCL输出端光功率特性的等效电路模型；最后建立电路宏模型，包括一个电气端口和一个光功率输出端口，基于电路宏模型进行光电性能仿真和输出光谱性能测试。本发明专利技术可测试温度对THzQCL各种光电性能的影响；可支持实现对THzQCL光电性能和输出多模效应的模拟和仿真。

【技术实现步骤摘要】
表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法
本专利技术涉及激光
，主要是一种新型半导体激光器的电路建模方法，尤其是涉及一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法。
技术介绍
自2002年世界上第一个太赫兹量子级联激光器(terahertzquantumcascadelaser，THzQCL)研制成功以来，在众多THz辐射产生方式中，QCL以其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点成为未来太赫兹研究领域的首选光源。目前试制成功的THzQCL器件主要是以GaAs/AlGaAs材料体系共振声子结构的QCL为主，此外研究人员对Ge/SiGe材料体系、InGaAs/AlInGaAs/InP材料体系也进行了相关设计研究。THzQCL是一个多周期级联结构的半导体子带间器件。电子通过在有源层的不同子能级之间的光学跃迁来辐射出光子。与此同时，它可以通过与声子、杂质以及其他电子的相互作用，从一个周期注入下一个周期。对以上器件内部载流子输运过程的深入研究能够为器件有源层的设计以及器件性能的改进提供有益的指导。目前国内外对THzQCL载流子输运特性的研究大体可分为三类：(1)量子动力学方法：基于固体中准粒子的波动特性，准粒子间的相互作用运用波的干涉方法进行描述，使用量子动力学的方法来处理载流子输运过程中的各种散射机制和边界条件，主要的方法包括非平衡格林函数方法、密度矩阵方法和维格纳函数方法等。(2)蒙特卡洛方法：该方法通过跟踪大量载流子在电场和磁场作用下的运动，得到器件内部的载流子分布。载流子在器件内部的运动被分为电磁场作用下的漂移和与其他载流子、杂质、和声子等准粒子的散射两部分。在漂移部分，载流子的运动用经典的牛顿运动定律描述，而载流子与其他准粒子的散射概率则通过量子力学中的费米黄金法则来计算。(3)速率方程方法：通过计算由各种散射机制引起的电子在子带间的跃迁概率和子带间跃迁的弛豫时间，并根据各弛豫时间写出一组各个子带的粒子占据数方程，最后通过自洽求解该方程组得到各个子带的电子占据数。上述研究中对THzQCL内部光电特性的模拟研究均是借鉴中红外QCL的研究成果，以数值模拟方法进行计算和仿真。数值模拟方法的优点是仿真准确、精度高，但其也存在计算量大、仿真时间长，适应性差的缺点。此外，当包含寄生元件和驱动电路时，无法采用数值方法对器件进行电路模拟分析。电路建模方法作为构建新型半导体器件等效电路模型，实现器件电路级的模拟分析的一种重要定模方法，是现代光电集成回路计算机辅助设计的重要组成部分，在大规模、超大规模集成电路，光电集成电路以及光电混合电路设计等研究领域均具有广泛的应用。它是一种直接从描述器件性能的物理方程出发通过适当的整理得到器件等效电路模型的方法。实现单模、宽波长调谐、面发射、大功率、室温工作太赫兹光源，一直是THzQCL器件研究的重点。多年来，通过优化有源层和波导层内部结构的分布反馈式ThzQCL，在抑制器件输出光谱中的多模效应，实现器件单模输出方面取得了一定进展。为了进一步优化器件输出光谱性能，就需要在有源层和波导层的结构优化设计中对器件输出光谱的多模效应进行量化分析，讨论和研究器件结构参数与器件输出光谱特性之间的内在必然联系，为进行器件的优化设计提供有效的理论和数据支撑。国内外学者的研究虽不同程度的研究了导致ThzQCL器件多模效应的原因以及影响因素，并尝试了通过提高耦合效率、采用低损耗、高分布反馈的波导结构来实现单一纵模选择，但仍未形成有效的方法将器件有源层和波导层的结构优化设计与器件的光电特性，特别是器件输出光谱的多模效应模拟仿真整合到一起。在模拟THzQCL器件多模效应仿真方面，目前尚缺乏适用的方法模型。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可有效用于研究多模态效应对THzQCL如光增益、阈值电流、饱和光功率等光电性能的影响的一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法。本专利技术还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可支持通过通用的电路仿真软件实现对THzQCL时域和频域光电性能以及光谱特性的模拟和仿真，在保证模拟精度的条件下提高了仿真速度和效率，并能满足实际光电集成电路设计应用中要求对光电子器件实现光电混合仿真的需要的一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法，其特征在于，步骤1，基于多模速率方程组，定义激光器输出光谱分布的包络作为波长的函数具有高斯形，在模拟时光谱不作为分立谱而作为连续谱看待，并定义器腔内光子密度随波长连续变化，并不含噪声，建立表征ThzQCL内部多模态效应的物理方程模型，具体形式如下；所述电子速率方程如下，式九式十式十一所述光子速率方程如下，式十二其中，S(λ)为单位波长间隔内激光器输出光子密度，其函数形式如下，式十三式中Sp为光子数密度峰值，S(λ)与增益g(λ)和自发辐射耦合系数β(λ)具有相同的中心波长λp，Δλp为这一分布函数的FWHM；步骤2，在步骤1建立的表征THzQCL有源区内部载流子输运特性及光子多模态特性物理模型的基础上，进行化简和参数变化，建立表征THzQCL有源层内部载流子输运及多模态特性的等效电路模型，基于以下公式：式十四式十五式十六其中，Iinj＝QηI；R3＝τ3/Q；C3＝Q；Ileak＝Q(1-η)I；R2＝τ21/Q；C2＝Q；R1＝τout/Q；C1＝Q；式二十Irr1＝Is+Ig式二十一根据基尔霍夫电流定律用子电路分别将公式十四、式十五、式十六、式二十、式二十一表述出来，建立表征THzQCL有源层内部载流子输运和多模态效应的等效电路模型如下：等效模型一：根据公式十四得到的子电路，是由受控电流源Iinj与电容C3、电阻R3、受控电流源Ist并联后一端接地构成的第1个电学支路，该支路节点电压为Vn3；等效模型二：根据公式十五得到的子电路，是由受控电流源Ileak、受控电流源Ist、受控电流源I3、电容C2、电阻R2并联后一端接地构成的第2个电学支路，该支路节点电压为Vn2；等效模型三：根据公式十六得到的子电路，是由受控电流源I′3与受控电流源I2、电容C1、电阻R1并联后一端接地构成的第3个电学支路，该支路节点电压为Vn1；等效模型四：根据公式二十得到的子电路，是由受控电流源Irr1与受控电流源Isp、电容Cph、电阻Rph并联后构成的第4个光学支路，该支路节点电压为Sp；等效模型五：根据公式二十一得到的子电路，是由受控电流源Irr1与受控电流源Is、受控电流源Ig并联后一端接地构成模型中的第5个光学支路，该支路节点电压为Δλp；步骤3，根据THzQCL电气输入接口的电流-电压特性，建立表征THzQCL输入端电气特性的等效电路模型，包括以下子步骤：步骤3.1、定义P1为等效电信号输入端口，首先用一个理想二级管D1与一个电阻RD串联于P1之间，作为表征THzQCL输入电气特性的等效电路模型相应子电路，I表示流经理想二极管D1的电流，将器件输入端的电压V定义为电流I和温度T的函数V(I，T)如下：式二十二其中，KT/e为热电压参量VT，K为波尔兹曼常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法，其特征在于，步骤1，基于多模速率方程组，定义激光器输出光谱分布的包络作为波长的函数具有高斯形，在模拟时光谱不作为分立谱而作为连续谱看待，并定义器腔内光子密度随波长连续变化，并不含噪声，建立表征Thz QCL内部多模态效应的物理方程模型，具体形式如下；所述电子速率方程如下，dn3dt=ηIeV-n3τ3-∫0∞g(λ)(n3-n2)S(λ)dλ]]>  式九dn2dt=(1-η)IeV+(1τ32+1τsp)n3-n2τ21+∫0∞g(λ)(n3-n2)S(λ)dλ]]>  式十dn1dt=n3τ31+n2τ21-n1τout]]>  式十一所述光子速率方程如下，dS(λ)dt=Γg(λ)(n3-n2)S(λ)+β(λ)Γn3τsp-S(λ)τph]]>  式十二其中，S(λ)为单位波长间隔内激光器输出光子密度，其函数形式如下，S(λ)=Spexp[-4ln2(λ-λp)2(Δλp)2]]]>  式十三式中SP为光子数密度峰值，S(λ)与增益g(λ)和自发辐射耦合系数β(λ)具有相同的中心波长λp，Δλp为这一分布函数的FWHM；步骤2，在步骤1建立的表征THz QCL有源区内部载流子输运特性及光子多模态特性物理模型的基础上，进行化简和参数变化，建立表征THz QCL有源层内部载流子输运及多模态特性的等效电路模型，基于以下公式：Iinj=Vn3R3+C3dVn3dt+Ist]]>  式十四Ileak+I3+Ist=Vn2R2+C2dVn2dt]]>  式十五I3′+I2=Vn1R1+C1dVn1dt]]>  式十六其中，Iinj＝QηI；R3＝τ3/Q；C3＝Q；Ist=Q∫0∞g(λ)(n3-n2)S(λ)dλ=G(Vn3-Vn2)[AtΔλp-AgΔλp3]Sp;]]>G=Qe2f322πm*neff2ϵΔλg,At=π/4ln2,Ag=At4ln2Δλg2;]]>Lleak＝Q(1‑η)I；R2＝τ21/Q；C2＝Q；I3′=Qτ31Vn3;I2=Qτ21Vn2;]]>R1＝τout/Q;C1＝Q;Irr1+Isp=SpRph+CphdSpdt]]>  式二十Irr1＝Is+Ig  式二十一根据基尔霍夫电流定律用子电路分别将公式十四、式十五、式十六、式二十、式二十一表述出来，建立表征THz QCL有源层内部载流子输运和多模态效应的等效电路模型如下：等效模型一：根据公式十四得到的子电路，是由受控电流源Iinj与电容C3、电阻R3、受控电流源Ist并联后一端接地构成的第1个电学支路，该支路节点电压为Vn3；等效模型二：根据公式十五得到的子电路，是由受控电流源Ileak、受控电流源Ist、受控电流源I3、电容C2、电阻R2并联后一端接地构成的第2个电学支路，该支路节点电压为Vn2；等效模型三：根据公式十六得到的子电路，是由受控电流源I′3与受控电流源I2、电容C1、电阻R1并联后一端接地构成的第3个电学支路，该支路节点电压为Vn1；等效模型四：根据公式二十得到的子电路，是由受控电流源Irr1与受控电流源Isp、电容Cph、电阻Rph并联后构成的第4个光学支路，该支路节点电压为Sp；等效模型五：根据公式二十一得到的子电路，是由受控电流源Irr1与受控电流源Is、受控电流源Ig并联后一端接地构成模型中的第5个光学支路，该支路节点电压为Δλp；步骤3，根据THz QCL电气输入接口的电流‑电压特性，建立表征THzQCL输入端电气特性的等效电路模型，包括以下子步骤：步骤3.1、定义P1为等效电信号输入端口，首先用一个理想二级管D1与一个电阻RD串联于P1之间，作为表征THz QCL输入电气特性的等效电路模型相应子电路，I表示流经理想二极管D1的电流，将器件输入端的电压V定义为电流I和温度T的函数V(I，T)如下：V(I,T)=KTeln(IIs+1)+IRs]]>  式二十二其中，KT/e为热电压参量VT，K为波尔兹曼常数，e为电子电量，T为开尔文温...

【技术特征摘要】
1.一种表征太赫兹量子级联激光器多模效应的电路建模仿真方法，其特征在于，步骤1，基于多模速率方程组，定义激光器输出光谱分布的包络作为波长的函数具有高斯形，在模拟时光谱不作为分立谱而作为连续谱看待，并定义器腔内光子密度随波长连续变化，并不含噪声，建立表征ThzQCL内部多模态效应的物理方程模型，具体形式如下；电子速率方程如下，光子速率方程如下，其中，S(λ)为单位波长间隔内激光器输出光子密度，其函数形式如下，式中Sp为光子数密度峰值，S(λ)与增益g(λ)和自发辐射耦合系数β(λ)具有相同的中心波长λp，Δλp为这一分布函数的FWHM；步骤2，在步骤1建立的表征THzQCL有源区内部载流子输运特性及光子多模态特性物理模型的基础上，进行化简和参数变化，建立表征THzQCL有源层内部载流子输运及多模态特性的等效电路模型，基于以下公式：其中，Iinj＝QηI；R3＝τ3/Q；C3＝Q；1Irr1＝Is+Ig式二十一根据基尔霍夫电流定律用子电路分别将公式十四、式十五、式十六、式二十、式二十一表述出来，建立表征THzQCL有源层内部载流子输运和多模态效应的等效电路模型如下：等效模型一：根据公式十四得到的子电路，是由受控电流源Iinj与电容C3、电阻R3、受控电流源Ist并联后一端接地构成的第1个电学支路，该支路节点电压为Vn3；等效模型二：根据公式十五得到的子电路，是由受控电流源Ileak、受控电流源Ist、受控电流源I3、电容C2、电阻R2并联后一端接地构成的第2个电学支路，该支路节点电压为Vn2；等效模型三：根据公式十六得到的子电路，是由受控电流源I′3与受控电流源I2、电容C1、电阻R1并联后一端接地构成的第3个电学支路，该支路节点电压为Vn1；等效模型四：根据公式二十得到的子电路，是由受控电流源Irr1与受控电流源Isp、电容Cph、电阻Rph并联后构成的第4个光学支路，该支路节点电压为Sp；等效模型五：根据公式二十一得到的子电路，是由受控电流源Irr1与受控电流源Is、受控电流源Ig并联后一端接地构成模型中的第5个光学支路，该支路节点电压为Δλp；步骤3，根据THzQCL电气输入接口的电流-电压特性，建立表征THzQCL输入端电气特性的等效电路模型，包括以下子步骤：步骤3.1、定义P1为等效电信号输入端口，首先用一个理想二级管D1与一个电阻RD串联于P1之间，作为表征THzQCL输入电气特性的等效电路模型相应子电路，I表示流经理想二极管D1的电流，将器件输入端的电压V定义为电流I和温度T的函数V(I,T)如下：其中，KT/e为热电压参量VT，K为波尔兹曼常数，e为电子电量，T为开尔文温度，电阻RD的阻值为Rs，Is为二极管的反向饱和电流；步骤3.2、然后，根据器件输入端实测的电流-电压(IV)曲线，运用Levenberg-Marquard方法拟合得到参数Rs，Is；步骤3.3、最后，将流经理想二极管D1的电流I作为步骤3中受控电流源Iinj和Ileak的控制电流信号；步骤4，利用单位波长间隔内输出光功率与光子密度的关系，求得THzQCL光波导层总的输出光功率Pout，建立表征THzQCL输出端光功率特性的等效电路模型；步骤5，在步骤2，步骤3和步骤4的基础上，建立基于多模速率方程组表征THzQCL光电性能的电路宏模型，该电路宏模型共两个端口，包括一个电气端口和一个光功率输出端口；基于电路宏模型进行光电性能仿真和光谱特性测试；所述步骤1中，多模速率方程组是根据THzQCL有源层内部载流子的输运特性来建立描述激光器电光性能的多模速率方程组：所述电子速率方程如下，所述第m模式光子的光子速率方程如下，其中，光子受激辐射跃迁高激射能级和低激射能级、声子辅助跃迁弛豫能级分别标识为子能级1、2、3，其中n3和n2分别表示光子受激辐射跃迁高激射能级和低激射能级上的电子数体密度，n1表示声子辅助跃迁的弛豫能级上的电子数体密度，Sm为光腔中m模式光子的光子数体密度，I为量子级联激光器的注入电流，τ3、τ32分别为子能级3电子总寿命以及子能级3与子能级2之间辐射跃迁寿命；τ31、τ21分别为子能级3与子能级1之间、子能级2与子能级1之间的非辐射跃迁寿命，其中1/τ3＝1/τ32+1/τ31+1/τ...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁昶，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42