太赫兹量子级联激光器有源区等效电路模型研究

太赫兹量子级联激器是获取高效率、低成本、便携式常温太赫兹发射源的理想方法，是未来进行太赫兹各领域研究的基础。有源区是其器件设计的核心，随着有源区材料的多样化和结构的复杂化，对它们的理论分析和仿真研究也越来越困难，采用等效电路与宏模型描述方法，有利于太赫兹量子级联激光器有源区的快速仿真与优化设计，本课题将应用量子动力学方法和量子修正的经典输运模型通过对太赫兹量子级联激器内电声子各种散射机制的研究获得其有源区中电子的能级分布、输运机制以及光场的分布规律；研究结构和材料因素对激光器电子的注入效率、温度、阈值电流等参数的影响；应用半经典速率方程模型与等效电路网络表征太赫兹量子级联激光器有源区电光转换特性及其热效应；建立一致性太赫兹量子级联激光器有源区的等效电路宏模型和特征参数的经验设计公式；最后应用得到的等效电路模型完成太赫兹量子级联激光器有源区的设计和仿真，验证模型的精确性与正确性。

本项目首先对太赫兹量子级联激光器内部载流子的输运特性进行了深入研究，在比较了蒙特卡洛方法和全量子计算方法后，最终决定应用快速性和计算复杂度性能都优于前两者的电路定模方法来对太赫兹量子级联激光器内部载流子的输运特性进行建模。为了提高建模的精度和效率，我们吸收了数值方法在计算精度方面的优势，运用薛定谔方程与泊松方程自洽求解精确计算了太赫兹量子级联激光器内部多量子阱结构中载流子的能级分布规律和能带分布结构；在此基础上，我们充分考虑了太赫兹量子器件中存在的各种散射机制（包括电子-纵向光声子散射、电子-电子散射、电子-光子散射、杂质散射等）对载流子在子能级间跃迁速率的影响，并深入探讨了包括材料参数、温度、掺杂以及多量子阱结构参数对跃迁速率和量子效率的影响，随后在载流子初态费米狄拉克分布和改进的费米黄金定则假设下编写了载流子子能级间跃迁的平均速率的快速数值算法。最后应用改进的电子速率方程和光子速率方程建立了描述太赫兹量子级联激光器器件光电稳态和动态性能的微分方程组，应用电路定模方法建立了太赫兹量子级联激光器的等效电路模型。应用该等效模型我们利用商用电路仿真软件实现了对太赫兹量子级联激光器器件输入、输出光电性能的模拟和仿真其结果在仿真精度和模拟速度方面都优于已有模型。为了进一步研究温度、激射光子多模效应对器件光电性能的影响，我们还对已建立的等效电路模型进行改进，分别建立了表征器件温度特性的太赫兹量子级联激光器热等效电路模型和表征器件内部光子多模态效应的太赫兹量子级联激光器多模态效应等效电路模型，并利用商用电路仿真软件实现了对太赫兹量子级联激光器温度性能和输出光谱分布性能的模拟和仿真，验证了模型的有效性、适用性和准确性。