一种考虑热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模仿真方法，建立THzQCL有源层的单级光增益系数G的理论计算公式、相应的电子速率方程和光子速率方程，建立THzQCL的热速率方程，联立得到表征THzQCL内部载流子输运和热效应的物理方程模型，然后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温度性能测试。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光电性能的模拟和仿真，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对光电子器件实现光电混合仿真的需要。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种考虑热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模仿真方法，建立THzQCL有源层的单级光增益系数G的理论计算公式、相应的电子速率方程和光子速率方程，建立THzQCL的热速率方程，联立得到表征THzQCL内部载流子输运和热效应的物理方程模型，然后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温度性能测试。本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光电性能的模拟和仿真，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对光电子器件实现光电混合仿真的需要。【专利说明】
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，尤其是涉及一种基于热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模方法。
技术介绍
自2002年世界上第一个太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum cascadelaser, THz QCL)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THz QCL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。THz QCL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THz QCL载流子输运特性的研究大体可分为三类:(I)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THz QCL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。对于THz QCL，人们最为关心的是其温度性能。为了提高THz QCL器件的工作温度，就需要对有源层结构进行优化设计，同时还需要对不同的微观温度效应进行量化分析。国内外学者的研究虽不同程度的关注了温度对THz QCL器件内部载流子输运性能的影响，但仍未形成有效的方法将热载流子的输运效应与器件的光电特性模拟仿真整合到一起。这些方法要么只关注于热沉温度对器件激射光谱的影响，要么关注于热声子效应及温度对热声子数、激射能级寿命的影响。在模拟THz QCL器件光电特性热效应仿真方面，目前尚缺乏适用的方法模型。
技术实现思路
针对现有技术缺陷，本专利技术提出一种基于热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模方法。本专利技术的技术方案为一种，包括以下步骤:步骤1，根据THz QCL有源层的单级光增益与晶格温度T的关系，建立THz QCL有源层的单级光增益系数G的理论计算公式如下，【权利要求】1.一种，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，根据THz QCL有源层的单级光增益与晶格温度T的关系，建立THz QCL有源层的单级光增益系数G的理论计算公式如下， 2.根据权利要求1所述，其特征在于:步骤2中， 所述n (T)使用以下拟合公式得到， 3.根据权利要求1或2所述基于热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模方法，其特征在于:步骤6实现方式如下， ①首先，设Pl为等效电信号输入端口，首先用一个理想二级管Dl与一个电阻Rd串联于Pl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Dl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，Τ)如下: 4.根据权利要求1或2所述，其特征在于:步骤7实现方式如下， ①首先，列写出激光器输出光功率Pwt与光子数S的数学表达式 5.根据权利要求1或2所述基于热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模方法，其特征在于:步骤7中，建立基于热效应的表征THz QCL光电性能的电路宏模型实现方式如下，首先，运用电路仿真软件工具HSPICE新建一个具有两端口的电路宏模型ThzQCLModel，定义两端口属性，端口 Nin为激光器电气输入端口，端口 NPout为激光器光功率输出端口 ；然后运用子电路描述语言将步骤5、6、7中建立的各子电路表述出来；最后将步骤6中建立的等效电信号输入端口 Pl与电路宏模型ThzQCL Model的端口 Nin相连，将步骤7中建立的等效光功率输出端口 P2与电路宏模型ThzQCL Model的端口 NPout相连。【文档编号】G06F17/50GK103500239SQ201310373177【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日 【专利技术者】祁昶, 石新智 申请人:武汉大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于热效应的太赫兹量子级联激光器电路建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据THz?QCL有源层的单级光增益与晶格温度T的关系，建立THz?QCL有源层的单级光增益系数G的理论计算公式如下，????式十二其中，是纵模光学声子能量，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，G0为模型增益常量系数，G(T)表示T时的光增益系数G；步骤2，在步骤1建立的单级光增益系数G的理论计算公式基础上，根据THz?QCL有源层内部载流子的输运特性，建立相应的电子速率方程和光子速率方程；所述电子速率方程如下，dN3(t)dt=η(T)I(t)q-N3(t)τ3-ΓG(T)(N3(t)-N2(t))S(t)????式十七dN2(t)dt=(1τ32+1τsp)N3(t)-N2(t)τ21+ΓG(T)(N3(t)-N2(t))S(t)????式十四dN1(t)dt=N3(t)τ31+N2(t)τ21-N1(t)τout????式十五所述光子速率方程如下，dS(t)dt=NΓG(T)(N3(t)-N2(t))S(t)+NβN3(t)τsp-S(t)τp????式十六其中，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，N1表示声子辅助跃迁的弛豫能级上的电子数，S为光腔中的光子数，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/τsp；τsp、τp分别为电子在子能级3与子能级2之间的自发辐射寿命和光腔中的光子寿命，τout为电子在相临两级联周期结构间的逃逸时间；Γ为光限制因子，N为级联级数、q为电子电量，β为自发辐射耦合系数；(T)表示温度为T时的注入效率参量；步骤3，根据THz?QCL有源层内部的热载流子的输运特性，建立THz?QCL有源层的热 速率方程如下，T=Tsink+(IV-Pout)Rth-τthdTdt????式二十一其中，Tsink为散热底座温度，IV为THz?QCL输入的总电功率，Pout为光输出功率，热时间常数τth＝RthCth，Rth为等效热电阻，Cth为等效热电容；步骤4，根据步骤2建立的电子速率方程和光子速率方程和步骤3建立的热速率方程，联立构成表征THz?QCL有源层内部载流子输运和热效应的物理方程模型；步骤5，在步骤4建立的表征THz?QCL有源层内部载流子输运和热效应模型的基础上，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和热效应的等效电路模型；所述进行化简和参数变化包括定义新变量VNi和Vph分别表征归一化处理后各子能级上的电子数和器件输出光子数的大小，i=1、2、3；定义缩放常数因子zn和k，zn=1/NG0τp，k＝1/G0τsat，令子能级i上的电子数Ni=znVNi，光子数S=kVph，饱和时间常数τsat＝τ3(1+τ21/τ31)，令α＝q/τsat，得到以下方程，Ginj=VN3R3+C3dVN3dt+Gstim????式二十二G3+Gstim=VN2R2+C2dVN2dt????式二十三G3“+G2=VN1R1+C1dVN1dt????式二十四Gstim+Gspon=VphRp+CpdVphdt????式二十五Gth=VThRth-CthdVThdt????式二十六其中，Ginj、Gstim、Gspon为受控电流源，Ginj＝NG0τpη(T)I，η(T)表示温度为T时的注入效率参量η，电阻R3＝τ3/q，电容C3＝q，Gstim＝αΓg(T)(VN3?VN2)Vph，受控电流源G3＝q(1/τ32+1/τsp)VN3，电阻R2＝τ21/q，电容C2＝q，受控电流源G′3＝(q/τ31)VN3， 受控电流源G2＝(q/τ21)VN2，电阻R1＝τout/q，电容C1＝q，Gspon＝qβVN3/τsp，电阻R1＝1/α，电容Cp＝ατp；根据基尔霍夫电流定律用子电路分别将公式二十二至公式二十六表述出来，建立表征THz?QCL有源层内部载流子输运和热效应的等效电路模型如下，根据公式二十二得到的子电路，是由受控电流源Ginj与电容C3、电阻R3、受控...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：祁昶，石新智，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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