半导体激光器等效电路模型研究

东南大学硕士学位论文
（１，２，３）７，代入方程验证，发现是非常精确的。

在做多项式拟合时，会有部分点偏离拟合曲线的轨迹较远，它可能对拟合的结果造成很大的负面影响，因此有必要改进算法，让算法识别该点，并在拟合时去掉该点．
３．３３软件的界面与使用方法
由３．３．１节可以知道，参数提取软件是由三个软件模块组成的，分别用来提取激光器芯片的寄生网络模型的参数（ＰａｒａｓｉｔｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓＥｘｔｒａｃｔｉｏｎｆｏｒＬＤ），剥离芯片的寄生效应（ＰａｒａｓｉｔｉｅｓＤｅ－ｅｍｄｅｄｄｉｎｇｆｏｒＩＭＲｅｓｐｏｎｓｅ）和提取芯片本征部分模型的参数（１ｎ—ｍｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓＥｘｔｒａｃｔｉｏｎｆｏｒＬＤ）．
图３．１７提取寄生网络参数的软件模块的界面
（１）模块“ＰａｒａｓｉｔｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓＥｘｔｒａｃｔｉｏｎｆｏｒＬＤ”（寄生网络参数提取）
提取激光器芯片的寄生网络模型参数的软件模块界面如图３．１７所示，界面可以分为两部分，左边的按钮用来添加测试所得激光器芯片的Ｓ．，特性数据：右边用来显示提取出来的寄生网络元件的值。

左边有两列按钮，它们实现的功能其实是相同的，区别在于左列按钮输入Ｓ．文件的格式是幅度和相位，而右列按钮输入Ｓ．文件的格式是实部和虚部。

每列有五个按钮，第一个按钮原来加载偏置电流为零时的Ｓ。

文件，后面四个按钮加载正偏时的Ｓ．文件，软件可以加载四组正向偏置下的Ｓ．文
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件·用户可以根据测试数据的多寡来决定加载Ｓ．文件的组数。

当测试所得的Ｓ，数据文件加载到软件之后，点一下。

ＰａｒａｍｅｔｅｒＥｘｔｒａｃｔｉｏｎ”按钮就可以把寄生网络已经的参数值提取出来。

（２）模块“ＰａｒａｓｉｔｉｃｓＤｅ—ｅｍｄｅｄｄｉｎｇｆｏｒＩＭＲｅｓｐｏｎｓｅ”（寄生效应剥离）
在寄生网络元件的参数值提取出来之后，下面的工作是剥离寄生网络的影响，剥离寄生效应的软件模块界面如图３．１８所示。

界面主要由三个部分组成，最左边的按钮和文本输入框用来添加不同偏置下测得的半导体激光器的调制响应特性数据文件，中间的文本框用来输入已经提取出来的寄生
图３．１８剥离寄生效应的软件模块的界面
网络元件的参数值，界面右边的按钮用来输出剥离寄生效应后不同偏置下的激光器芯片本征部分的调制响应特性数据文件。

左边的两列按钮，它们实现的功能其实是相同的，区别在于一列按钮输入调制响应特性数据文件的格式是实部和虚部，而另一列按钮输入的调制响应特性数据文件的格式是幅度和相位，中间的文本框输入加载的调制响应特性所对应的偏置电流，用户可以根据测试数据的多寡来决定加载调制响应特性数据文件的组数。

界面中间的文本框用来输入寄生网络元件的参数值，对于ＤＦＢ激光器等一些类型的激光器可以用前面介绍的软件模块来提取寄生网络元件的值，对于像ＶＣＳＥＬ这样的激光器可以用拟合法来提取寄生网络元件的值，不管用什么方法提取，只要将提取出来的寄生网络元件的值输入到该软件模块中就可以得到不同偏置电流下的本征部分的调制响应特性。

界面的右边的两个按钮是用来输出激光器芯片剥离寄生效应后的调制响应特性数据文件的。

若输入的调制响应特性数据文件的格式是实部和虚部，那么点击界面右端的第一个“Ｄｅ．ｅｍｂｅｄ”可以得到对应格式的剥离寄生效应后的调制响应特性数据文件。

若输入的调制响应特性数据文件的格式
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是幅度和相位，那么点击界面右端的第二个“Ｄｅ．ｅｍｂｅｄ”可以得到对应格式的剥离寄生效应后的调制响应特性数据文件。

（３）ＩｎｔｒｉｎｓｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓＥｘｔｒａｃｔｉｏｎｆｏｒＬＤ（本征区模型参数提取）
在剥离了寄生效应后，就可以得到半导体激光器芯片本征部分的调制响应特性，将不同偏置下
图３．１９提取有源区模型参数的软件模块的界面
芯片本征部分的调制响应特性数据文件加载到如图３．１９所示的提取本征区模型参数的软件模块中就能提取出半导体激光器的本征部分的模型参数。

界面主要由三个部分组成，左边的按钮和文本输入框用来添加不同偏置下有源区的调制响应特性数据文件，用户可以根据测试数据的多寡来决定加载调制响应特性数据文件的组数，按下界面中间下端的按钮“ＰａｒａｍｅｔｅｒＥｘｔｒａｃｔｉｏｎ”可以在按钮下面的文本框中显示小信号等效电路元件的参数值，按下右边的“ＰａｒａｍｅｔｅｒＥｘｔｒａｃｔｉｏｎ”按钮可以在按钮下面的文本框中显示速率方程的八个参数，有了这八个参数的值就可以确定半导体激光器芯片本征部分的等效电路模型。

在软件界面的右边，有按钮“Ｎｅｔｌｉｓｔ”，按下该按钮之后软件自动生成该半导体激光器的等效电路模型的ＳＰＩＣＥ雨Ｊ表，将该网表嵌入到ＨＳＰＩＣＥ电路分析软件中就可以仿真该激光器的多种特性，如直流特性、瞬态特性以及交流特性等。

第四章ＶＣＳＥＬ的建模和参数提取
第四章ＶＣＳＥＬ的建模和参数提取
垂直腔面发射激光器１２”目发射的光束与村底垂直，这－ｄ，４，的变化却使得器件的光束特征、筛选检测、光电子学设计．制备工艺及二维阵列的形势等等有了巨大的改变。

ＶＣＳＥＬ最早是由日本东京技术学院的ｌｇａ教授在１９７７年提出来的。

当时是Ｉ犟授主要是想通过采用缩短腔长的方法来获得动态单模工作的半导体激光器，以提高光的通讯能力。

ＶＣＳＥＬ具有阐值电流低、动态单纵模工作、良好的空间发射模特性、可形成二维面阵、容易得到圆对称出射光束、光纤祸合效率高、调制速率高、阵列可寻址和与其他器件兼容性好等优点，是中短距离光通信的理想光源，是当前半导体光电子器件中注目的热门课题。

光子学发展趋势必然是固态化、集成化、并能与微电子技术兼容，ＶＣＳＥＬ这些特性在光子集成回路中有着很高的应用价值，以实现薄膜功能光学器件的单片集成，开辟新的三维光学领域。

减ｄ、ＶＣＳＥＬ有源区的直径及腔长，则其更容易实现低阐值，单纵模工作。

图４．１ＶＣＳＥＬ的结构原理图
图４．１显示的是ｖＣＳＥＬ结构的原理图，和常规激光器一样，它的有源区位于两个限制层之间，并构成双异质结结构。

为了能使注入电流限制在有源区内．利用隐埋制作技术使注入电流完全被限制在直径为Ｄ的圆形有源区中。

与常规激光器截然不同的地方是腔长的概念，ＶＣＳＥＬ的腔长是隐埋双异质结结构的纵向长度，一般为微米量级，而它的谐振腔的两个反射镜由布拉格光栅构成，其中的一个反射镜设置在键合边或光输出边上，另一个发射镜在衬底边上。

衬底反射镜的直径大于模式斑点尺寸，光输出边反射镜的直径与有源区直径相等。

ＶＣＳＥＬ的结构特点使得它的结构设计参数不同于常规半导体激光器。

它的主要结构设计参数包括腔长，有源层厚度，有源区直径和布拉格反射光栅的反射率等。

但是，该器件也有一些缺点，由于多层分布式布拉格光栅的存在，与边沿发射的激光器相比，ＶＣＳＥＬ：．呈现出较大的阻抗特性和较差的散热性ｐ…，并且ＶＣＳＥＬ是电流注入器件，大的阻抗必然产生可观的热量，这使有源区内的温度随注入电流的增大不断升高，因此ＶＣＳＥＬ的工作特性随注入电流
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图４．５在ＡＤＳ环境下用拟合法提取ＶＣＳＥＬ寄生网络元件的参数值
（３）模型中温度相关参数的提取
温度相关的参数的提取是通过拟合法来实现的。

这些表征温度特性的参数分别是描述泄漏电流的ｑ。

ｑ，描述温控反向饱和电流的Ｂ，也和描述温控电阻的ｑ，ｃ２。

兼顾精度和复杂度，我们取ｎ为７。

ｑ—ｑ可以通过拟合不同温度下的Ｌ．Ｉ曲线确定ｐ９ｌ，４，６２和ｑ，包可以通过拟合不同温度下的ｖ－Ｉ曲线确定。

在确定描述ＶｃｓＥＬ输入特性的参数＾，岛和ｑ，ｑ时，我们不能直接用公式（４．４），因为该公式认为流过寄生电阻Ｒ和注入到二极管的电流是相同，而在Ｔｕｃｋｅｒ模型中注入到二极管中的电流，一只是流过Ｒ中的电流的一部分，而且，～在阈值以上是保持不变的，大小等于阈值电流。

文献㈣使用公式（４．４）是因为文中的模型将输入和输出分开来描述，流过置的电流就等于注入到二极管中的电流。

于是在提取自，６２和Ｃｉ，ｃ２时，我们可以用如下的方法：
肛门咋Ｍ毒“）＋１Ｒ，＝ｒｌ仙‘丽１＋１）＋，矗（４’９）当，＜‘时，流过Ｒ的电流就等于注入到二极管中的电流‘。

，此时用公式
拟合实验测得的不同温度下的ｖ－Ｉ曲线。

当，≥Ｌ时，流过Ｒ的电流中的一部分注入到二极管中，，一＝‘，此时用公式
陆嘶岖芒“）＋以－－ｎ巧Ｉｎ（％洲丽“）＋７毒Ｈ·１０）
拟合实验测得的不同温度下的Ｖ．Ｉ曲线。

实验所用的ＶＣＳＥＬ的有源区由８个量子阱组成，工作波长为１３１０ｒｉｍ，阈值电流为０．５５ｍＡ，
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