[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，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。

背景技术

自2002年世界上第一个太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum cascade laser，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/Al InGaAs/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：

(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。

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THz QCL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Thz QCL，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Thz QCL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THz QCL器件多模效应仿真方面，目前尚缺乏适用的方法模型。

发明内容

本发明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THz QCL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。

本发明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THz QCL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。

本发明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，