《太赫茲量子級聯雷射器有源區等效電路模型研究》是依託武漢大學，由祁昶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：太赫茲量子級聯雷射器有源區等效電路模型研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：祁昶
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
太赫茲量子級聯激器是獲取高效率、低成本、攜帶型常溫太赫茲發射源的理想方法，是未來進行太赫茲各領域研究的基礎。有源區是其器件設計的核心，隨著有源區材料的多樣化和結構的複雜化，對它們的理論分析和仿真研究也越來越困難，採用等效電路與宏模型描述方法，有利於太赫茲量子級聯雷射器有源區的快速仿真與最佳化設計，本課題將套用量子動力學方法和量子修正的經典輸運模型通過對太赫茲量子級聯激器內電聲子各種散射機制的研究獲得其有源區中電子的能級分布、輸運機制以及光場的分布規律；研究結構和材料因素對雷射器電子的注入效率、溫度、閾值電流等參數的影響；套用半經典速率方程模型與等效電路網路表征太赫茲量子級聯雷射器有源區電光轉換特性及其熱效應；建立一致性太赫茲量子級聯雷射器有源區的等效電路宏模型和特徵參數的經驗設計公式；最後套用得到的等效電路模型完成太赫茲量子級聯雷射器有源區的設計和仿真，驗證模型的精確性與正確性。
結題摘要
本項目首先對太赫茲量子級聯雷射器內部載流子的輸運特性進行了深入研究，在比較了蒙特卡洛方法和全量子計算方法後，最終決定套用快速性和計算複雜度性能都優於前兩者的電路定模方法來對太赫茲量子級聯雷射器內部載流子的輸運特性進行建模。為了提高建模的精度和效率，我們吸收了數值方法在計算精度方面的優勢，運用薛丁格方程與泊松方程自洽求解精確計算了太赫茲量子級聯雷射器內部多量子阱結構中載流子的能級分布規律和能帶分布結構；在此基礎上，我們充分考慮了太赫茲量子器件中存在的各種散射機制（包括電子-縱向光聲子散射、電子-電子散射、電子-光子散射、雜質散射等）對載流子在子能級間躍遷速率的影響，並深入探討了包括材料參數、溫度、摻雜以及多量子阱結構參數對躍遷速率和量子效率的影響，隨後在載流子初態費米狄拉克分布和改進的費米黃金定則假設下編寫了載流子子能級間躍遷的平均速率的快速數值算法。最後套用改進的電子速率方程和光子速率方程建立了描述太赫茲量子級聯雷射器器件光電穩態和動態性能的微分方程組，套用電路定模方法建立了太赫茲量子級聯雷射器的等效電路模型。套用該等效模型我們利用商用電路仿真軟體實現了對太赫茲量子級聯雷射器器件輸入、輸出光電性能的模擬和仿真其結果在仿真精度和模擬速度方面都優於已有模型。為了進一步研究溫度、激射光子多模效應對器件光電性能的影響，我們還對已建立的等效電路模型進行改進，分別建立了表征器件溫度特性的太赫茲量子級聯雷射器熱等效電路模型和表征器件內部光子多模態效應的太赫茲量子級聯雷射器多模態效應等效電路模型，並利用商用電路仿真軟體實現了對太赫茲量子級聯雷射器溫度性能和輸出光譜分布性能的模擬和仿真，驗證了模型的有效性、適用性和準確性。
