连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统

本申请涉及半导体光电子器件仿真与设计，特别涉及一种连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统。

背景技术：

1、目前，分布反馈（distributed feedback，dfb）半导体激光器因其单纵模输出、窄线宽和良好的波长稳定性，广泛应用于光纤通信和微波光子系统中。在器件设计阶段，准确预测其在高功率工作点下的非线性行为（如输出功率饱和和激射波长随电流的红移）至关重要。

2、相关技术中，对半导体激光器进行仿真的方法主要分为两类：其一，将光学模式、载流子分布与热效应进行分离处理，其二，采用简化的唯象模型近似拟合半导体激光器的非线性特性。其中，多数仿真模型采用恒温假设或仅考虑单向的热-光耦合，例如基于速率方程的方法，另有工艺计算机辅助设计（technology computer-aided design，tcad）级别的唯象模型，则依赖于提前标定的abc复合系数、差分增益等唯象参数，此外，还有部分仿真方法直接采用宏观增益公式进行仿真计算。

3、然而，相关技术中的仿真方法未能考虑温度变化引发的载流子迁移率、复合机制的动态变化，以及该变化对光学模式、增益谱产生的反向作用，导致在高注入电流工况下难以精准预测因器件自热效应诱发的各类复杂非线性行为。同时，部分tcad唯象模型依赖于实验提前标定的abc复合系数、差分增益等唯象参数，这类参数随器件结构不同差异显著，不仅导致模型通用性较差，也难以反映器件内部微观物理机制。此外，直接使用宏观增益表达式的方法，忽略了多量子阱（multiple quantum well，mqw）结构的应变效应、轻重空穴耦合以及srh/auger非辐射复合形成的微观热源分布，最终会造成波长红移系数、饱和功率的仿真预测结果与实际偏差较大，亟待解决。

技术实现思路

1、本申请提供一种连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，以解决相关技术中的仿真方法多物理场耦合不紧密、依赖实验标定参数、通用性较差且仿真结果准确度较低的问题，能够在无需实验标定参数的前提下，精准预测半导体激光器自热引发的非线性行为。

2、本申请第一方面实施例提供一种连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，包括：

3、半导体模块，用于基于工作电流及由热模块反馈的当前温度场，计算目标激光器的有源区的净载流子密度分布、电场分布和非辐射复合热源；

4、量子力学模块，用于基于预设的薛定谔方程，根据半导体模块提供的净载流子密度分布和当前温度场确定的带隙宽度，通过k·p微扰理论求解多量子阱能级结构及波函数，确定增益谱，无需引入经验拟合参数；

5、光学模块，用于基于传输矩阵法结合有限差分法，根据量子力学模块提供的增益谱和由当前温度场确定的折射率分布，迭代求解目标激光器的激射波长和阈值增益，并根据激射波长和阈值增益生成目标激光器的输出性能预测结果；

6、热模块，用于根据目标激光器的工作电流计算焦耳热，并基于预设的热传导方程，根据半导体模块提供的非辐射复合热和焦耳热确定目标激光器的当前温度场，以通过当前温度场更新半导体模块的带隙和载流子迁移率，以及更新光学模块的折射率。

7、可选地，在一些实施例中，预设的热传导方程为：

8、；

9、其中，为散度算子；为依赖于温度的热导系数；为温度梯度；为当前温度场；为焦耳热量；为非辐射热量。

10、可选地，在一些实施例中，半导体模块，具体用于：

11、采集目标激光器的工作电流；

12、基于工作电流和当前温度场确定载流子迁移率，求解漂移扩散方程，计算目标激光器内部的电场分布、电子浓度分布和空穴浓度分布；

13、根据电场分布、电子浓度分布和空穴浓度分布计算目标激光器的有源区的净载流子密度和非辐射复合热。

14、可选地，在一些实施例中，量子力学模块，具体用于：

15、响应于接收到载流子密度及当前温度场，利用当前温度场更新半导体材料的带隙宽度，基于预设的薛定谔方程，根据载流子密度计算电子的能量本征值、重空穴的能量本征值、轻空穴的能量本征值和波函数；

16、根据电子的能量本征值、重空穴的能量本征值、轻空穴的能量本征值和波函数确定光增益参数。

17、可选地，在一些实施例中，光学模块，具体用于：

18、折射率由参考温度下的基准折射率以及随温度变化的增量项构成，其中折射率随温度的变化率取决于激光器有源区或波导层的材料组分；

19、光学模块根据更新后的折射率分布，利用有限差分法计算横向光场分布以得到当前温度下的有效折射率和光限制因子，并利用传输矩阵法结合复折射率迭代求解目标激光器的激射波长和阈值增益。

20、本申请第二方面实施例提供一种连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析方法，包括以下步骤：

21、采集目标激光器的工作电流，初始化当前温度场为环境温度；

22、基于工作电流和当前温度场，计算目标激光器的有源区的净载流子密度、电场分布和非辐射复合热；

23、基于预设的薛定谔方程，根据载流子密度和当前温度场确定的带隙宽度，求解能级结构并确定增益谱；

24、根据增益谱和当前温度场确定的折射率分布，计算目标激光器的激射波长和阈值增益，并根据激射波长和阈值增益生成目标激光器的光预测结果，基于预设的热传导方程，通过热模块根据非辐射复合热源更新当前温度场。

25、由此，本申请实施例至少具备以下有益效果：

26、（1）高精度预测非线性行为：本申请实施例通过引入完整的热-光-电闭环耦合及微观非辐射热源，能够准确复现实验观测到的高电流下的功率饱和现象和波长单调红移特性，误差显著低于相关技术中的恒定温度模型。

27、（2）无需经验拟合参数：本申请实施例中的所有输入参数均为材料的基本物理常数（如有效质量、热导率、复合寿命等），使得该模型具有极强的通用性和预测能力，特别适用于新结构dfb激光器的预先设计。

28、（3）物理机制清晰：本申请实施例能够量化分析自热效应、载流子泄漏及带隙收缩对器件性能的具体贡献，为器件的热管理设计和结构优化提供理论依据。

29、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

1.一种连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，其特征在于，所述预设的热传导方程为：

3.根据权利要求1所述的连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，其特征在于，所述半导体模块，具体用于：

4.根据权利要求1所述的连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，其特征在于，所述量子力学模块，具体用于：

5.根据权利要求1所述的连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，其特征在于，所述光学模块，具体用于：

6.一种连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-5中任一项所述的连续波分布式反馈半导体激光器的多物理场耦合分析系统，其中，所述方法包括以下步骤：