（电磁场与微波技术专业论文）激光器建模与cmos光前放电路设计.pdf

摘要 随着光电子学的不断发展，光电子集成电路的计算机辅助分析与设计得到了广泛的应 用，而构造出o e i c 核心器件半导体激光器的仿真模型是实现对半导体激光器进行器件性能 分析与设计，预测o e i c 电路性能，检验电路设计正确性的首要条件。与此同时光通信技术 由光纤链路方式向着光无线链路方式应用，以及c m o s 工艺向着亚微米和深亚微米方向发 展，设计和制造光通信用c m o s 集成电路引起了人们极大的兴趣。在接收机端，前置放大 器的分析和设计十分重要。 在这两个方面，本文着重进行了如下研究： 1 ) 通过对描述激光器电光特性的速率方程的分析，本文详细讨论了激光器传统的电路模型 建模及模拟给出了分布反馈量子阱( d f b - q w ) 激光器的电路模型釉及其p s p i c e 子电路 描述。 2 ) 本文选择了m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 作为仿真平台研究了激光器建模的新途径。利用 m a t l a b 及s i m u l i n k 的优点，建立了d f b q w 半导体激光器的s i m u l i n k 仿真模型。包含有， 直流大信号模型用于激光器闭值电流判决和工作点确定：交流小信号模型用于模拟和数字调 制的性能分析，例如频率响应和脉冲响应。几个例子的具体运用结果表明本文的模型能够有 效地仿真半导体激光器的动态特性为器件近一步分析与设计提供了新的途径。 3 ) 针对高速光通信应用，本文在单环跨阻前置放大器电路的基础上引入了双反馈环结构， 并率先推导出了c m o s 工艺双反馈环放大器的电压增益、输入，输出回波损耗、跨阻增益等 的理论分析表达式。理论分析和模拟仿真结果十分接近，表明这种双反馈环结构适用于高速 光通信系统，并且具有很好的功率传递性能。 4 ) 针对光无线应用，本文详细研究了漫射红外无线通信系统的特殊性，分析了接收机电路 的结构，提出了具有宽动态范围、抑制背景光、低电压供电工作的c m o s 跨阻前放电路的 实现方案。并建议，根据信噪比和灵敏度的标准，肖特基光电二极管及跨阻前置放大器组成 的接收机前端电路比较适合漫射红外无线通信系统。特别地研究了一种基于镜像电流源的电 流放大器，加之跨阻反馈结构后的一个新型电路。理论分析表明这一电流型跨阻前放电路， 具有低电压工作的能力可以满足保持尽可能大的光电二极管反向偏置的同时获得较大的信 号摆幅输出。 关键词：半导体激光器，仿真模型，直流分析，交流分析，光接收机，前置放大器，跨阻放 大器，c m o s 工艺 i i a b s t r a c t w i 出t h ed e v e l o p m e n to f o p t o e l e c t r o n i c s t h ec o m p u t e r - a i d e da n a l y s i sa n dd e s i g n i sn o w w i d e l yi nt h ee m p l o yo fo p t o e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n o n eu l t i m a t ep r i n c i p l e o f t h i sm e t h o di st h a tw ed e m a n dt h ea c c u r a t em o d e lf o r t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r 1 ) f i r s t ，b a s e do nt h el a s e rr a t ee q u a t i o n s ，w ee l a b o r a t et h ec o n s t r u c t i n gm e t h o do f t r a d i t i o n a lc i r c u i tm o d e lo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r f o re x a m p l e ac i r c u i tm o d e lo f d i s t r i b u t e df e e d b a c kq u a n t u m w e l l ( d f b q w ) s e m i c o n d u c t o rl a s e ri sp r e s e n t e da n d i t sp s p i c es u b c i r c u i tc o d e sa r eg i v e n t h em o d e li sa l s oi m p l e m e n t e di nc o n v e n t i o n a l s p i c ec i r c u i ts i m u l a t o r 2 ) s e c o n d ，f o rt h ec o n v e n i e n c eo fa p p l i c a t i o n ，a n o t h e rm e t h o df o ru s i n gt h ep o p u l a r m a t hp a c k a g e sm a t l a ba n ds i m u l i n kt os i m u l a t et h ea ca n dd cb e h a v i o ro f s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e si s p r e s e n t e d t h ed cl a r g e s i g n a lm o d e lf o rt h r e s h o l d d e t e r m i n a t i o na n do p e r a t i n gp o i n ts e l e c t i o ni sd i s c u s s e d t h ea c s m a l l s i g n a lm o d e l i sp r e s e n t e df o ri n v e s t i g a t i o no fb o t ha n a l o ga n dd i g i t a lm o d u l a t i o np e r f o r m a n c e ，f o r e x a m p l ef r e q u e n c yr e s p o n s ea n dp u l s er e s p o n s e t i l i sm o d e lp r o v i d e s ab e r e r w a y t o s i m u l a t ea n da n a l y z et h eb e h a v i o ro fs e m i c o n d u c t o rl a s e r - d i o d eo p e r a t i n gw i t h i nt h e l i n e a rl a s i n gr e g i o n o p t i e a l l i n k sa r er a p i d l y e x p a n d i n gi n t oa p p l i c a t i o na r e a sb e y o n dt r a d i t i o n a l o p t i c f i b e rl i n k ss u c ha si n f r a r e dw i r e l e s sl i n ka n dt h et r e n do fc m o st e c h n o l o g y e m e r g e s i n t ot h e d e e p s u b m i c r o n r e g i m e t h u s ，t h e r e h a sc r e a t e d e x c i t i n g o p p o r t u n i t i e sf o r t h er e s e a r c ha n di n n o v a t i o no f o p t i c a lr e c e i v e r sc m o s c i r c u i t 3 ) f o rh i g h s p e e d d a t a t r a n s m i s s i o n ，b a s e d o nt h et r a d i t i o n a l s i n g l el o o p t r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e r , ad u a l f e e d b a c kl o o p s p r e a m p l i f i e ri m p l e m e n t e d i n c m o st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d t h ed e r i v e da n a l y t i ce x p r e s s i o n so f v o l t a g eg a i n i n p u f f o u t p u tr e t u r n l o s sa n dt r a n s i m p e d a n c eg a i no ft h i sd u a l l o o p sa m p l i f i e ra r e p r e s e n t e d p r e d i c t e dr e s u l t sf r o mt h o s ee x p r e s s i o n s a r ef o u n di ng o o d a g r e e m e n tw i t h t h es i m u l a t e dr e s u l t s 4jf o r o p t i c a lw i r e l e s ss y s t e m d i f l u s ei n f r a r e dw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o f t 宅r s m o r er o b u s to p t i c a ll i n k a n dn o wi sa ni n t e r e s t i n gr e s e a r c hf o c u sf o ri t sf e a s i b i l i t yo f i n t e r c o n n e c t i o n e a s i l y h o w e v e r , i t i sm o r es u s c e p t i b l et oa m b i e n t l i g h t n o i s e c o m p o s e do f b o t hn a t u r a la n da r t i f i c i a ls o u r c e s t h i sa m b i e n tl i g h tn o i s ep r o d u c e sa s h o tn o i s ea tt h er e c e i v e re n da n dl i m i t st h ep e r f o r m a n c eo fr e c e i v e rs e n s i t i v i t y t h i s p a p e rd e s c r i b e st h ev a r i o u si s s u e si n v o l v e dt h ed e s i g no fr e c e i v e rf r o n te n ds u c ha s w i d eb a n d w i d t h ，a m b i e n t l i g h tr e j e c t i o n ，w i d ed y n a m i cr a n g e ，a n dl o w - v o l t a g e o p e r a t i o n m e a n w h i l es c h o t t k yp h o t o d i o d ei sp r o p o s e df o ri n f r a r e dh i g h s p e e dd a t a t r a n s p o r t a t i o na n dw i d eb a n d w i d t h s p e c i a l l y , an o v e lc i r c u i tb a s e do nac u r r e n t m i r r o rc u r r e n ta m p l i f i e ra n dat r a n s i m p e d a n c es t m c t u r 6i s p r o p o s e d t h i sc u r r e n t m o d e t r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e r i sp r o v e da n a l y t i c a l l yt oh a v et h ec a p a b i l i t yo fl o w v o l t a g eo p e r a t i o n a tt h es a m et i m ei tk e e p saw i d eo u t p u ts w i n ga n dp r o v i d e st h e p h o t o d i o d ew i t h as u f f i c i e n tr e v e r s eb i a sv o l t a g e ， k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r , s i m u l a t i o nm o d e l ，d ca n a l y s i s ，a ca n a l y s i s ， o p t i c a lr e c e i v e r , p r e a m p l i f i e r , t r a n s i m p e d a n e ea m p l i f i e r , c m o st e c h n o l o g y 第一章绪论 1 i 概述 光纤通信是当今时代信息技术革命的重要基石之一。长距离光纤网覆盖全球，构成了连 接整个世界的错综复杂通信网络的基础。然而随着便携式终端设备的普及和多媒体通信业务 的发展，我们不得不面对来自用户需求日益增加的挑战。我们必须提供更大的通信容量、随 时随地信息的无缝接入等等，因此迫切需求开发高速数字通信技术。无论自由空间光通信还 是光纤通信，光通信有着很多优势。光通信系统提供了无以伦比的信道宽带，太位比特每秒 的数据传输率。这种优势来源于作为信息载体的光子内在特性，光子属于波色子，它不带电 荷，不易发生相互作用：光子在真空中速度为光速，不受r c 时间常数的限制：不存在电磁 干扰、寄生耦合效应等等。因此光通信系统的应用现已超越了传统光纤链路通信方式，这种 所谓的载波通信方式的新应用包括有：卫星间光链路、光纤到户( f 1 v r h ) 、建筑物间光链路 等。此外，在局域网和机器互联方面光通信都有新突破，例如基于异步转移模式的无源光网 络、基于以太网的无源光网络、光子互联等。最近，基于光无线链路的通信方式提供了便携 式设备间数据传输的解决方案【l 】。例如，根据红外数据协会( 1 r d a ) 标准的短距离点对点 红外无线通信系统具有成本低廉、数据传输率高的特点。这种短距离光无线通信暗示了光通 信系统在未来可能的发展趋势，例如在1 9 9 8 年大约超过1 亿个便携式电脑、数字照相 机和其他设备装备了与i r d a 标准兼容的通信串口；目前，每年会出现大约有4 千万个的新 器件具有红外串口。红外串口的出现冲击了通用串行总线( u s b ) 和i e e e l 3 9 4 火线接口的 地位，正成为计算机与外罔设备互联的领导方式。图1 1 展示了传统光通信链路的基本构成。 在信息发射端，信源提供了信息数据流，然后被编码，驱动光调制电路，载波光则由发光二 扳管( l e d ) 或激光器产生。已调光信号通过光纤或者自由空间到达信息接收端。接收端的 光电探测器将光信号转换为电流信号，然后由前置放大器进行放大，再生到足够大的电压信 号后由解调电路恢复出原始信息数据。 獭光器 光电柱硼器 i 一 赞暑寸辊 - 一 燕暧机 幽1 i 传统光纤链路的方框凹 2 一方面随着信息化社会的到来，高速率信息流的载入、传输、交换、处理及存储是技术 关键，半导体光电子技术是支柱之一而半导体光电子器件，特别是半导体激光器是心脏。 超大容量信息的传输技术对半导体激光器提出了很高的要求，如高调制速率( 1 0 0 g h z ) 、窄 线宽( 1 0 0 k h z ) 、高重复频率而且日益趋向于各种功能的单片集成激光器【2 。说起光电子 器件的集成由于s i 集成电路的发展在信息技术中表现的强大生命力，人们很自然地想到 光电子集成电路将具有很强的潜在优势。随着半导体激光器及其他光电子器件工艺的逐步成 熟，人们在7 0 年代末就已经把注意力投向光电子集成电路( o e i c ) 和光子集成电路( p i c ) 的研究。目前人们把光电子器件与电子器件的集成称为光电子集成电路，而把光电子器件与 光控器件的集成称为光子集成电路，当然这两者之间也没有一个绝对的界限。为了能够利用 计算机辅助设计( c a d ) 工具开展对o e i c 的设计和研究，需要o e i c 模块特别是半导体激 光器的器件模型。如何构造出能够逼真反映器件特性的仿真模型并以此进行器件的性能分析 与设计是目前o e i c 的研究热点之- - 3 。本文从激光器传统的电路模型建模及模拟展开讨 论给出了分布反馈量子阱( d f b q w ) 激光器的电路模型和仿真结果，并详细研究了其小 信号模型的构造方法：此外还利用通用数学计算软件m a t l a b 及其交互式仿真工具包s i m u l i n k 构造出描述半导体激光器交直流特性的仿真模型，包含有，直流大信号模型用于激光器闽值 电流判决和工作点确定：交流小信号模型用于模拟和数字调制的性能分析，例如频率响应和 脉冲响应。模拟结果表明本文的模型为分析工作在线性受激辐射区的激光器特性提供了便捷 有效的途径。 另一方面光通信应用范围的扩展也提供了令人兴奋的新机会，光接收机模块的研究和革 新受到人们的普遍重视。几十年以来光纤通信的发展已经改进了人们对光接收机模块的认 识，最初人们强调的是接收机的速度和灵敏度。现在，随着应用的扩展光接收机设计也有了 许多新需求：第一，最普遍的趋势可能是不断增加的系统集成度的需求，要求减少系统元器 件数量、系统成本和器件尺寸。过去长距离光纤通信系统中接收机模块设计往往比系统成本 更受到重视，因而其设计并不受整个系统规划的限制。模块中往往使用昂贵的基于先进高速 半导体技术如g a a s 、s i 双极型 i 艺的电路设计。随着低成本、高集成度c m o s 工艺的发展， 越来越多的光接收机模块开始应用c m o s 电路，不过这种应用暗示着接收机模块的设计必 须紧随着c m o s 集成电路工艺的新进展。主导性的趋势是c m o s 系统供电电压的持续降低， 在许多系统性能优化、降低功耗的场合系统供电电压无疑是一个可修改的设计参数。便携 式设备的应用和需要电源备份的场合日益要求光通信系统具有低电压工作的能力，对于集成 化的光接收机而言这也意味着系统具有了更长的工作寿命。第二，光接收机被要求具有更宽 的动态工作范围。动态工作范围是对信号强度变化的一个度量，其定义是当接收机符台一定 的性能要求如误码率时，接收机可容忍的最大信号强度变化。接收机可感知的最小信号由其 自身噪声产生，最大信号则是发生在接收机过载或饱和工作时。传统的长距离光纤通信系统 并不耍求系统接收机具有很宽的动态工作范围，这是因为接收机收到的光信号已经是系统设 计时虽优化的足够小的水平，从而获得更长的链路长度、最小的中继次数。光通信系统的新 应用则要求系统有着更多的灵活性，链路长度和信道损耗并非系统迫切需要考虑的了。所以 光接收机必须在动态工作范围方面有所改进，如果增加的动态工作范围需求不是很强烈，可 以考虑在接收机前端增加增益控制级电路；不过，就i r d a 的标准而言其允许光无线链路范 围是0 c m 到1 0 0 c m ，在这样的一个范嗣里光辐射度由5 0 0 m w c m 2 减弱到4 u w c m 2 ，光强变 化了5 个数量级。显然，这时接收机前置放大电路的设计便是一个关键因素了。第三，光接 收机被要求具有抑制背景光的能力。显然，基于光无线链路的应用要求光接收机模块提供背 景光抑制功能，如果背景光相对于载波光信号较弱，那么可以通过滤波的方法剔除背景光干 扰：如果背景光相对于载波光信号较强，那么在前置放大级电路就必须将背景光干扰抑制掉， 否则无法提取出有用的载波光信号。红外数据协会( i r d a ) 提供的标准是，系统可抑制的 背景光辐射度水平为4 9 0 u w c m 2 ，是系统可感知最小信号强度4 u w c m 2 的1 0 0 多倍。总而 言之，为适应光通信系统的新应用，诸如光无线互联和光局域网，就光通信系统接收机模块 而言这里提出了三条主要需求，如上所述低电压工作能力、宽动态工作范围和背景光抑 制能力。典型的红外无线通信系统的应用将上述要求推向了极限【4 】，因此本文就光接收机 模块前置放大器电路的设计展开讨论，目的是如何满足上述三个方面的要求。 1 2 论文安排 本文的第二章讨论了半导体激光器的器件建模与仿真。首先简要回顾了半导体激光器的 发展历程和今年来的新进展，o e i c 计算机辅助设计对器件模型提出的特殊要求。其次讨论 了激光器电路模型的构造方法以及模拟仿真，详细研究了其小信号模型的建立。然后利用通 用数学计算软件m a t l a b 及其交互式仿真工具包s i m u l i n k 构造出描述半导体激光器交直流特 性的仿真模型，并给出了仿真结果验证了模型的有效性。证明了光电子集成电路( o e i c ) 计算机辅助设计必将成为推动o e i c 加速发展的重要手段，它在缩短设计周期，减少资源耗 费提高器件性能加速开发进程等方面将起着重要的作用。 本文从第三章开始讨论c m o s 光前置放大器电路设计。首先回顾了传统光通信系统应 刚中接收机模块前置放大器电路的分析、设计和实现，其次为适应光通信系统的新应月j 及冈 4 此带来的新需求，分析了设计具有低电压_ 1 ：作能力、宽动态工作范围和背景光抑制能力的光 接收机模块中前置放大器电路的一般规则 5 。最后给出了分析前置放大器负反馈电路的节 点电压方法和方框图方法的简介。 第四章的主要内容是，首先介绍了c m o s 场效应晶体管的物理性质以及射频小信号等 效电路模型。其次为本章的重点，讨论了高速c m o s 跨阻抗前置放大器的设计和实现，并 给出了双反馈环c m o s 前放电路的理论分析与仿真结果。最后介绍了个适用于漫射红外 _ 无线通信系统低电压工作的c m o s 前放电路。 第五章对全文进行了总结，就半导体激光器的器件模型参数提取方面还需要做的工作以 及c m o s 光接收机前置放大电路设计将来的工作进行了展望。 参考文献 j ，m k a h na n dj r b a r r y w i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n s 【j 】p r o c e e d i n go f t h e i e e e ，1 9 9 7 ，8 5 ( 2 ) ：2 6 5 - 2 9 8 2 江剑平，等半导体激光器 m 】北京：电子工业出版社，2 0 0 0 【3 】陈维友，等光电子器件模型与o e i c 模拟【m 北京：国防工业出版社，2 0 0 1 1 8 f 4 j ，r b a r r y w i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n m ，k l u w e r a c a d e m i c p u b l i s h e m ，19 9 4 【5 k p h a n g c m o so p t i c a lp r e a m p l i f i e r d e s i g nu s i n gg r a p h i c a lc i r c u i ta n a l y s i s p h d d i s s e r t a t i o n ，u n i v e r s i t yo f t o r o n t o ，2 0 0 1 第二章半导体激光器的器件建模与仿真 2 1 半导体激光器的发展历程及o e i c 衙介 回顾半导体激光器发展的历程，早在2 0 世纪6 0 年代初就提出用半导体材料作为激光媒 质的建议。同时。伯纳德( b e r n a r d ) 和杜拉福格( d u r a f f o u r g ) 给出了半导体中实现受激 发射时的必要条件 2 】对应t - ；i 平衡电子、空穴浓度的准费米能级差必须大于受激发射 能量，并注意到g a a s 中辐射复合效率很高的实验结果。早期的激光二极管都是宽接触同质 结的，是在体材料上采用杂质扩散的办法来形成p n 结。但是它已经具备了任何激射作用 的三个要素 1 ) p n 结区的电子一空穴复合，提供光增益；( 2 ) 垂直于结的两个解理面形成 f - p 谐振腔，提供光反馈；( 3 ) 正向偏置p n 结提供载流子注入。此时的半导体激光器都属于 其发展的第一阶段同质结构注入型激光器，这类激光器有一个共同的致命弱点，即受激 发射闽值电流密度特别高，通常要5 x 1 0 4 a l c m 2 1x 1 0 5a c m 2 ，因此只能在液氮温度( 或更 低) 和脉冲状态( 脉宽茎1 u s ，占空比 0 1 ) 下工作。在1 9 6 8 1 9 7 0 年期间，美国贝尔实 验室研究成功a l o a a s g a a s 单异质结构激光器 3 】，室温闽值电流密度为8 6 x 1 0 3 a c m 2 。这 表明了半导体激光器进入了其发展的第二阶段单异质结注入型激光器( s h l d ) ，它们 是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在g a a sp n 结的p 区之内，以此来降低闽值电流 密度j l h 其数值比同质结激光器降低了一个数量级。半导体激光器第三个发展阶段是双异 质结注入型激光器( d h l d ) ，其闽值电流密度能够显著降低主要依靠两个作用：( 1 ) 有源层 两侧的包层是宽带隙材料，它对注入窄带隙有源区的载流子有限制作用，以利于产生高的增 益；( 2 ) 有源医是高折射率材剁，两侧的包层是低折射牢材料，这里形成的光波导能将光场的 大部分限制在有源区内。进入8 0 年代以来，由于吸取了半导体物理研究的新成果，同时晶 体外延生长新工艺，包括分子柬外延、金属有机化学气相沉积和化学束外延等取得重大成就， 使得半导体激光器成功地采用了量子阱和应变量子阱新结构，出现了许多性能优良的新器 件。其中最具代表性的是：各类量子阱激光器( 极低阈值，单频，高调制速度，扩展新波 民) ，应变量子阱激光器，垂直腔面发射激光器以及高功率激光器列阵。 随着信息化社会的到来，高速率信息流的载入、传输、交换、处理及存储是技术关键。 半导体光电子技术是支柱之一，而半导体光屯子器件，特别是半导体激光器是心脏。图2 i 给出半导体激光器在一些主要应用领域相应所需的波长、功率及线宽示意范围。 6 光通俯乐坑 图2 1 半导体激光器主要应用领域所需的波长、功率及线宽示意图 目前，实川光纤通信传输系统的单信道速率已达到1 0 g b s ，1 5 5 1 a m 的分布反馈式半导 体激光器( d f b l d ) 是优选的理想光源。但是，直接调制方式受到啁啾频移噪声的影响。 正在研究与发展的d f b l d 与量子阱电吸收型调制器单片集成的光源可以在4 0 g h z 重复频 率r 产生p s 量级的光脉冲，为光孤子传输新型光源。同时，为突破单信道传输速率的局限， 充分利用单模光纤的带宽( 2 0 0 t h z ) 可采用波分复用( w d m ) 和时分复用( t d m ) 技术 而波长稳定、精确可控的光源是实现w d m 的关键。发展量子阱有源区、多段结构的可调谐 d f b l d 或d b r l d ( 分布布拉格反射式半导体激光器) 就是前提。而且要把诸多波长的器 件实现单片集成，便于和光纤高效耦台，彼此间又互不串扰。目前已有1 0 1 0 g b s 集成 d f b l d 的商品报道。超大容量信息的传输技术对半导体激光器提出了很高的要求，如高调 制速率( 1 0 0 g h z ) 、窄线宽( 1 0 0 k h z ) 、高重复频率，而且b 益趋向于各种功能的单片集成 激光器 4 。说起光电子器彳， ：的集成，由丁s i 集成电路的发展在信息技术中表现的强人生命 力，人们很自然地想到光电子集成电路将具有很强的潜在优势。随着半导体激光器及其他光 电子器件工艺的逐步成熟，人们在7 0 年代末就已经把注意力投向光电子集成电路( o e i c ) 和光子集成电路( p i c ) 的研究。早期有关o e i c 的研究工作集中于为光通信系统应用服务， 7 包括集成光发射机、光接收机和中继器。按器饪类型和应用目标分，将光器件、光电子器件 和电子器件集成时有多种组合。如今应用广泛的半导体激光器、光电探测器、半导体光放大 器等均为光电子器件，它们将光能和电能互相转换。光波导、光开关和光调制器，虽然也有 外加电场作用，但实际上是一种光控器件。目前人们把光电子器件与电子器件的集成称为光 电子集成电路，而把光电子器件与光控器件的集成称为光子集成电路，当然这两者之间也没 有一个绝对的界限。人们早就知道光栅具有衍射、反射、选频等功能，把光栅刻制并埋入半 导体它就能起到分布布拉格反射器的功能，从而代替了f ，p 腔的光反馈作用，因而可以实现 满足集成化要求的无腔面激光器。此外，介质光栅除了有反馈选频、耦合等功能外，通过正 向偏置可以改变光栅区的载流子浓度，导致介电常数的变化，从而可以调谐布拉格反射波长， 利用这一原理可以做成波长可调谐激光器。在上述关键技术突破的基础上，人们研制出多种 o e i c 或p 1 c 器件，如波分复用激光发射器、光外差p i c 接收机等。目前1 5 9 i n 的半导体量 子阱激光器与电吸收调制器的单片集成电路已经商品化并用了= i o g b s 光通信系统中。未来 高速信息处理中，逻辑门之间的信息传递尤其是芯片和插板之间的信息传递，如果仍然通 过内部或外部引线，以电子作载体传输，就会受到回路r c 参数延迟效应的限制。而用光子 ( 或光波) 作为载体来传递逻辑运算信息是突破此“瓶颈”效应的有效途径，这就要用光互连 或波导互连来代替导线连接。这时要求在计算机的逻辑门列阵芯片上安装微型、低功耗、 高响应速率、窄线宽的垂直腔面发射器( v c s e l ) 列阵。同时还要进一步考虑与s e e d 空 间光调制器、光电探测器面阵、微透镜列阵的集成组合。近年来光盘存储技术得到迅速发展， 并取得大量应j j 。光盘存储的容罱取决丁记录介质写入位元尺寸和写、读光束的光斑大小。 目前，光盘机中，体积小、重量轻、低压驱动的l d 己完全取代了h e n e 激光器。而且目前 采_ i j 最多的波长为7 8 0 n m 的读出光源将被6 3 0 n m 的红光激光器取代，而g a n 、z n s e 蓝绿光 激光器的问世和应用( 网为其波长只有4 15 n m ，光斑尺寸可减小3 5 倍) ，使光盘存储密度 加大很多。参铒光纤放大器( e d f a ) 已成为当今光纤通信系统中令人瞩目的一颗明珠。它 能以与入射光偏振无关的高信号增益同系统连接，在睦途光纤通信系统中取得广泛的应用。 但是它的实现也应归功于9 8 0 n m 和1 4 8 0 r i m 大功率量子阱半导体激光器的研制成功。 k 总之，半导体激光器的问世使信息光电子技术产生了里程碑式的飞跃，它的发展不过 3 0 多年的历史，却已经取得了举世瞩目的成就，各项性能参数有很大提高，应_ i ；j 领域日盏 扩人。展望来来，! p 导体激光器的研究必将向更深程度发展。在拓宽发射波长，降低阂值电 流密度，提高量子效率，增加输出功率，提高调制频率，降低线宽平| i 噪声等方面还需人们进 一步深入研究。 8 2 2o e i c 模型与仿真 集成电路计算机辅助设计( c a d ) 己成为当今集成电路迅猛发展的支柱，是大规模集 成电路和超大规模集成电路设计必不可少的工具，可以预言，随着集成光电子学的不断前进， 光电子集成电路( o e i c ) 计算机辅助设计也必将成为推动o e i c 加速发展的重要手段，它 在缩短设计周期，减少资源耗费，提高器件性能，加速开发进程等方面将起着重要的作用。 电路级模拟作为c a d 中的一个重要环节，是预测电路性能，检验电路设计正确性的有力工 具。 本章的着眼点是光电子集成电路的电路级模拟，重点放在半导体激光器的模型构造与实 例仿真上。在o e i c 中不仅有徽电子器件，而且有光电子器件，不仅有电学信息，而且有光 学信息。众所周知，电学量一般以“流”的概念来处理，而光学量一般则采用“波”的处理方法。 采用微电子电路的模拟方法模拟光电子集成电路时关键是如何去构造光电子器件的电路模 型，电路模拟方法的本质是求解关于时间的一阶微分方程，作为o e i c 核心器件的半导体激 光器，可以通过一组速率方程米描述其性能。因此问题便转化为如何去建立能充分反映半导 体激光器性能并可用纯电学元忭等效的光电子器件电路模型。采用的方法是直接从描述器件 性能的物理方程出发，通过适当的整理得到等效电路模型，异于从器件实际结构出发，分析 子功能器件及其连接关系来获得电路模型的拓扑结构的微电子器件定模方法。采用的软件是 p s p i c e 通用电路模拟器，其本身并没有包含很多的电子器件模型，而是提供了一些可以构 造新模型的手段。作为用户好处在于可以选择自己认为合适的模型，甚至可以自己构造模型： 坏处在于刚户必须熟悉如何选择模型，如何构造模型，如何描述模型。 综上所述，要实现微电子电路模拟方法模拟光电子集成电路首要任务是开发光电子器 件的电路模型。也就是说，必须把光电子器件用一个能够充分反映其性能的，而且以纯电子 元件构成的电路模型米等效。此外为能像处理电信号那样方便地处理光信号( 通常为光功 率) ，必须把光信号心电路变量( 电压或电流) 米表示。再有一点，为实现用电路变量处理 光信号的输出、输入及在光电子器件之间的传递，必须在光发射器件的模型中引入一个或两 个虚拟的端口，用来输出光信号：同样，必须在光接收器件的模型中引入一个虚拟的端口， 用来接收光信号。这样，从光电子器件的电路模型上看，光电子器件不再是一个两端器件， 而是一个三端或四端器件。光电子器悄。的等效电路示意图见图2 2 。 9 丰一一j 。 厂 。出光面 一h 等效电路 图2 2 激光器等效电路示意图 k 1 出光面 o e i c 电路模拟比较微电子集成电路模拟而言，在模型构造的数值处理技术上也有特殊 之处。尤其是激光器的稳态模拟，这是因为激光器在受激状态下，具有强烈的正反馈效应， 数值稳定性很差，必须加以特殊考虑。也就是说在稳态模拟时，必须对激光器人为施加一个 严格的内部结电压限制，否则，虽然可以很容易得到结果，但是结果肯定是不正确的，出现 没有物理意义的解。 接下来介绍o e i c 电路模拟时主要执行的几个方面的内容： ( j ) 直流分析。把所有电容开路，电感短路，求解网络的稳态解，可以得到各节点的电压，各 支路的也流。通过直流扫描分析，可以得到网络的某一特性( 如某一支路电流或某一节点电 压) 随输入电压或屯流、元件值、模型参数的变化关系。 ( 2 ) 交流分析。模拟网络的小信号频率响应特性，可以得到网络的某特性随频率的变化关系， 可以得到3 d b 带宽。 ( 3 ) 瞬态分析。模拟网络的脉冲响应特性，可以得到网络的某一特性在一定的信号输入下，随 时间的变化关系，可以得到延迟时间、上升和下降时间等信息。 ( d ) 噪声分析。模拟网络的噪声特性。 ( 5 ) 容差分析。灵敏度和最坏情况分析。 1 0 本节讨论了作为o e i c 核心的半导体激光器电路模型的构造方法。通过给出的半导体激 光器的电路模型，阐明了光电子器件电路模型的构造方法。利用半导体激光器的p s p i c e 子 电路模型，对具体o e i c 进行了模拟。 2 3 1 半导体激光器的速率方程 构造激光器电路模型的出发点是描述激光器电光特性的速率方程，下面简单给出激光器 速率方程的形式。 对于单纵模半导体激光器速率方程n 写n 5 害= 去一砌2 如3 ) 邶s 眨， 坐：船”2 + f g s 一一s ( 2 2 ) d t r 。 警= 斯g 一书 ， 式中n 为有源区载流子密度；s 为总光子密度( 总光子数有源区体积v 。) ：m 为光场位相； l 为注入电流；q 为电子电荷：f 为光限制因子：g 为光增益：p 为自发辐射系数；n 为线宽 增强因子；k 为光子寿命；a 为陷阱辅助复合系数：b 为辐射复合系数；c 为a u g e r 复合系 数。方程( 2 1 ) ( 2 3 ) 适用于单纵模_ q 2 作的半导体激光器，对于多纵模激光器，则需要 很多个速率方程，若有m 个模式，则需要2 m + 1 个速率方程，其中一个是关于电子密度的 速率方秽，另外2 m 个是关于光子密度和光场位相的速率方程。即 窘= 嘉一掰+ 国3 ) 一著瞩 汜t ， 冬：卢。曰h2 + z f 。g 一旦 ( 2 - 5 ) d t ” r p ” 鲁= 剐呱一去 唔s ， 激光的产生是通过激光器有源区内载流子的受激复台实现的，有源区内的载流子需要注 入电流提供。因此，研究有源区内载流子的行为就显得特别重要。方程( 21 ) 描述了使载 流子发生变化的各种机制，方程矗边第一项就是描述注入电流对载流子的贡献：第二项描述 自发复合对载流子的消耗，其中只有平方项能够产生光子，其它两项都为非辐射复合；第三 项为受激辐射对载流子的消耗。方程( 2 2 ) 描述激射模光子密度的变化机制，右边第一项 描述自发辐射的贡献。自发辐射的光子随机辐射到各个方向耦合进入激射模式的光子数是 很少的，式中的b 正是描述这一比例关系的。右边第二项描述受激过程的贡献。第三项描述 光子的损耗，其中主要包括激光腔内部吸收损耗和端面出射损耗，这两种损耗机制可用光子 寿命来表示。方程( 2 , 3 ) 描述光场位相变化机制，这个方程中的关键物理量是线宽增强因 子，它描述光场强度波动对位相变化的影响程度。这个方程的物理意义不像其它两个方程那 样明显，它可以从m a x w e l l 方程推导出米。位相方程是独立的，与其它两个方程没有直接关 系，除非研究位相噪声，一般在构造电路模型时很少采用。因此，这里略去位相方程的推导 过程，详细推导可参见文献 6 】。通常。半导体激光器是一个多纵模工作器件，描述其性能 的速率方程为多模速率方程【7 ，8 。在对l d 的分析中，往往把多模速率方程简化为等效的单 模速率方程而使问题得以简化 9 ，1 0 】。在不需考虑与激光器模式相关的特性时，由单模速率 方程得到的电路模型已能胜任多种分析。 值得说明的是：关于r 在载流子密度和光子密度速率方程中的出现形式，有些文献中， r 在两个方程中都出现，就像方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 一样，而有的文献中，r 只出现在光子 密度方程中，形式如下 害= 参一o n + b n 2 + 幽3 ) 一 c ： 型= r 觑2 + f 6 古一s p( 2 8 ) d t ? t ， 这里一为有源区内光子的平均密度。r 是否出现在载流子密度速率方程中与光子密度的定义 有关，当光子密度定义为有源区内外光子数总和隋源区体积时( 或采用光子数，且把光子 数定义为有源区内外光子总数时) ，限制因子必须出现在载流子密度速率方程中，因为只有 有源区内的光子才能产生光增益。这时，光子密度速率方程中，只有受激辐射项含有f ，白 发辐射项不含有r 。当光子密度定义为有源区内光子数，有源区体积时( 或采用光子数，且 把光子数定义为有源区内光子数时) ，载流子密度速率方程中的受激辐射项就不必再含有厂。 由_ 丁无论是自发辐射还是受激辐射，产生的光子并不是全部分布在有源区内，而是有一部分 分布在有源区外，因此在光子密度速率方程中，需要在这两项中包含r 。 1 2 2 3 2 分布反馈量子阱半导体激光器电路模型的构造 本小节以分布反馈量子阱( d f b - o w ) 半导体激光器为例，讨论了半导体激光器的电路模 型构造过程。分布反馈量子阱半导体激光器的速率方程最初由t u c k e r 给出 1 1 】，在l d 调制 响应中，阻尼张驰振荡现象是总能观察到的。产生响应阻尼的因素很多，如载流子横向扩散、 自发发射、光谱烧孔、非线性吸收等。把这些非线性效应用统一的场依赖光增益压缩因子来 考虑，并把它引入激光器的单模速率方程中，有b j e r k a n 等修正后的方程【1 2 ： d n ( t ) ：型喁 n ( t ) - n o s ( t ) 一塑 ( 2 9 ) 一一p 【zvj d t 9 k “1 + 占j 0 )k 警= 磁骂笔磐掣+ 警哟 c ：舯， 掣2 驯f