单模半导体激光器的大信号等效电路模拟

《计算材料学》课程设计

指导老师：江建军教授

电子科学与技术系

2004年6月

单模半导体激光器的大信号等效电路模拟

刘振一李敬兵李一安付本涛王赛军张翎

易飞李鹏赵亮刘磊陈扬喻晶

( 华中科技大学电子科学与技术系0110班武汉 430074 )

摘要：本文介绍了单模半导体激光器的大信号等效电路模型，利用PSPICE中的网单文件描述方式实现了对该模型的模拟，并对其直流稳态特性及大信号调制特性进行了分析。

关键词： 单模半导体激光器 大信号等效电路模型 PSPICE模拟 Large-Signal Equivalent Circuit Model For Simulation Of

Single-Mode Semiconductor Laser Diode

Abstract: This paper describes the large-signal equivalent circuit model of single-mode semiconductor laser diode. The model is implemented using net-list in PSPICE. Its direct current characteristics and large signal response characteristics are analyzed.

Keywords:S ingle-mode semiconductor laser diode, Large-signal equivalent circuit model, PSPICE simulation

一 引言

随着集成光电子学的发展，现代光纤通信对半导体激光器的各种性能要求越来越高。这就导致了激光器的设计者通过各种计算机辅助设计软件来对其电路进行模拟，从而在不同情况下对其性能进行分析。电路模拟的前提是建立能反应光电子器件的性能,并可以用等效的线性和非线性电路元件进行模拟的模型。半导体激光器LD是集成光电激光器的核心元件，对它的等效电路进行模拟将有助于对其性能的了解和结构的优化。

对LD特性分析基于单模速率方程，主要的方法有以下两种：一是利用速率方程直接求解的数值方法来获取对特性的分析结果，一般可采用MATLAB等软件进行模拟；另一种则是利用时域计算机模拟直接求解速率方程，将其表征为由线性和非线性电路元件组成的等效电路模型，通过对模型电路的模拟来获取对特性

的分析结果，一般可采用PSPICE 等软件进行模拟。本文采用了后一种方法。

至今，已有了LD 的各种实用电路模型。如R.S.Tuker 针对双异质结条形结构LD 的阈值以下LD 电路模型[1]和用于LD 动态调制分析的大信号LD 电路模型[2]，J.Katz 的LD 本征小信号等效电路模型[3]，Harder 的小信号噪声等效电路模型[4]等。本文主要采用R.S.Tuker 的用于LD 动态调制分析的大信号LD 电路模型对LD 进行特性分析。

二 单模半导体激光器的等效电路模型

2.1 半导体激光器的速率方程模型

激光的产生是通过激光器有源区内载流子的受激复合实现的。因而半导体激光器的大多数工作特性可由描述激活区内载流子与光子相互作用的速率方程来求得。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。在对LD 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[5]，方程如下：

00()(1)A n

I dN N

g N N S S dt εατ=−−−− （1）

00()(1)p n dS S N

g N N S S dt

εβττ=Γ−−−+Γ （2）

公式（1）为载流子密度速率方程，其右边三项分别表示载流子注入速率，由自发辐射和非自发复合导致的载流子减小的速率，由受激辐射导致的载流子减少的速率。公式（2）为光子密度速率方程，其右边三项分别表示受激辐射导致的光子数增加的速率，由激光输出和吸收导致的光子数的减少，由自发辐射导致的光子数增加的速率。

公式（1）（2）所示的速率方程考虑了非辐射复合，自发辐射，非线性增益压缩，载流子侧向分布的不均匀性，空间烧孔等效应。其中，N 为有源区载流子浓度，S 为有源区光子密度，A I 为有源区注入电流。其余参数及具体取值见表1。

单模半导体激光器模型的部分参数

参数 含义 单位 取值

α 电子电荷和有源区体积的乘积 Am 3 36810−× β

光激射模式下的自发辐射系数 3110−× N

零增益下的载流子浓度 m -3 238.5610×

g

微分光增益系数 m -3s -1 121.66710−×

Γ

光限制因子 0.4 τ

n

载流子自发复合寿命 ns 2.24

τ

p

光子寿命 ps 1.38

ε

增益压缩因子

m -3

23110−×

表1 模型参数物理含义及其取值

以上各参数由本小组成员经多方查阅验证，最后确定了适合本电路模拟的取值。

2.2 基于单模速率方程的LD 大信号等效电路模型

对公式(1)和公式（2）进行变换后得到如下方程： spon A spon n stim dI I I I dt

τ=++ （3）

''

ph stim

spon ph

C dS S I I dt R β=+−ΓΓ （4）

其中spon I 为自发复合电流，定义为：

exp()j spon

s n qV N

I I KT

ατη== （5） 公式（5）中s I ，j V 分别为异质结饱和电流和结电压，η为异质结注入系数，

K 为波尔兹曼常数。

stim I 为受激复合电流，定义为：

00()(1)stim I g N N S S αε=−− （6）