一種波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建 模方法，該建模方法基于模擬退火算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對光纖通信系統(tǒng)的靈敏度、響應(yīng)速率及可靠性等方面 的要求越來越高。為了滿足光通信技術(shù)未來的發(fā)展需求，具有高速、高集成度的光電集成電 路成為研究的熱點。光電探測器作為一種將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的光電器件，在 軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域得到了廣泛運用，特別是在光纖通信中，它是整個光纖通信系 統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。
[0003] 光電探測器作為光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣對整個光纖通信系 統(tǒng)的通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。波導(dǎo)型光電探測器通過波導(dǎo)與探測器耦合，實現(xiàn)側(cè)面 光入射，其內(nèi)量子效率由光波導(dǎo)的長度決定，而響應(yīng)速度則由光吸收層的厚度決定，因而這 種器件結(jié)構(gòu)允許對帶寬和量子效率分別進(jìn)行優(yōu)化，克服了工作速度和量子效率的矛盾，有 效提高了探測器的增益帶寬積。
[0004] 目前光電探測器的建模方法大多基于器件內(nèi)部的物理特性方程，對器件參數(shù)進(jìn)行 求解，而物理方程的復(fù)雜性以及求解過程中的近似計算都會對等效電路模型的精度產(chǎn)生影 響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建模方法，本發(fā)明采用模擬退火 算法對光電探測器的特性曲線進(jìn)行擬合，提取模型參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映波導(dǎo)型光電探測 器的特性，并實現(xiàn)光電探測器與電子電路的協(xié)同設(shè)計與仿真，詳見下文描述：
[0006] -種波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建模方法，所述建模方法基于模擬退火算法， 所述建模方法包括以下步驟：
[0007] 根據(jù)波導(dǎo)型光電探測器的物理結(jié)構(gòu)，分別考慮載流子渡越時間、外部寄生參量對 帶寬的影響，建立波導(dǎo)型光電探測器的等效電路模型；
[0008] 對若干個波導(dǎo)型光電探測器進(jìn)行散射參數(shù)的測量，通過散射參數(shù)計算值與測量值 的相對誤差，建立目標(biāo)函數(shù)；
[0009] 通過模擬退火算法擬合散射參數(shù)隨頻率變化的測試曲線，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，提取等 效電路模型中的各個元件值。
[0010] 所述等效電路模型包括：
[0011] 表征波導(dǎo)型光電探測器載流子渡越時間的電阻和電容；
[0012] 壓控電流源、結(jié)電阻和結(jié)電容；
[0013] 非本征區(qū)耗損電阻、以及互連線引入的寄生電阻、寄生電容和寄生電感。
[0014] 其中，所述目標(biāo)函數(shù)為：
[0016] 其中，F(xiàn)為目標(biāo)函數(shù)；S21ni、S21。分別為散射參數(shù)S 21的測量值和計算值；S 22ni、S22。分 別為散射參數(shù)S22的測量值和計算值；f為頻率點。
[0017] 進(jìn)一步地，所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：使目標(biāo)函數(shù)趨近于最小值。
[0018] 進(jìn)一步地，所述建模方法還包括：
[0019] 利用電路仿真軟件繪制波導(dǎo)型光電探測器的等效電路圖，并通過提取的各個元件 值設(shè)置電路元件參數(shù)；
[0020] 在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電路性能模擬仿真；
[0021] 將仿真結(jié)果與實際測試的散射參數(shù)隨頻率變化的特性曲線進(jìn)行對比，驗證等效電 路的準(zhǔn)確性。
[0022] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0023] 1、建模過程不涉及器件的內(nèi)部特性，因而避免了復(fù)雜的物理推導(dǎo)過程和近似計算 帶來的誤差；
[0024] 2、模型參數(shù)提取過程所采用的模擬退火算法具有使用靈活、運行效率高等優(yōu)點， 能夠概率性地跳出局部極值，獲得全局最優(yōu)解，較少受到初始條件的約束；
[0025] 3、利用本方法建立的等效電路模型可嵌入到Cadence/ADS等通用電路仿真軟件 中，實現(xiàn)光電探測器與后續(xù)電子電路的協(xié)同設(shè)計，使光電集成芯片的性能最優(yōu)化，更好地應(yīng) 用于單片集成光接收機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計。
【附圖說明】
[0026] 圖1為光電探測器本征部分等效電路示意圖；
[0027] 圖2為光電探測器寄生參量等效電路示意圖；
[0028] 圖3為模擬退火算法的流程圖；
[0029] 圖4為光電探測器整體等效電路示意圖；
[0030] 圖5為一種波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建模方法的流程圖；
[0031] 圖6為波導(dǎo)型光電探測器S21參數(shù)的仿真曲線和測試結(jié)果對比示意圖；
[0032] 圖7為波導(dǎo)型光電探測器S22參數(shù)的仿真曲線和測試結(jié)果對比示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0034] 模擬退火算法是基于蒙特卡羅迭代求解策略的一種隨機(jī)尋優(yōu)算法，其出發(fā)點是基 于固體物質(zhì)的退火過程與優(yōu)化問題之間的相似性。從某一初始溫度開始，結(jié)合溫度參數(shù)變 化和概率突跳特性，在解空間中隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解，即在局部最優(yōu)解處能概 率性地跳出，并最終趨于全局最優(yōu)解，避免在全局尋優(yōu)過程中陷入局部最優(yōu)解，同時克服優(yōu) 化過程對初值的依賴性。模擬退火算法作為一種通用的優(yōu)化算法，在超大規(guī)模集成電路設(shè) 計及控制工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0035] 本發(fā)明實施例設(shè)計的基于模擬退火算法的光電探測器建模方法避免了物理方程 求解過程中所帶來的問題，同時能夠準(zhǔn)確地反映器件特性，實現(xiàn)光電探測器與后續(xù)放大電 路的協(xié)同設(shè)計與仿真，對光電集成電路的設(shè)計優(yōu)化具有重要的意義。
[0036] 實施例1
[0037] 本發(fā)明實施例提供了一種波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建模方法，參見圖1、圖 2、圖3、圖4和圖5,該建模方法基于模擬退火算法，在一定的輻射功率和器件偏壓條件下， 對波導(dǎo)型光電探測器進(jìn)行電特性測試，然后根據(jù)器件物理結(jié)構(gòu)建立等效電路模型，應(yīng)用模 擬退火算法提取模型參數(shù)，該方法具體包括以下步驟：
[0038] 101 :根據(jù)波導(dǎo)型光電探測器的物理結(jié)構(gòu)，分別考慮載流子渡越時間和外部寄生參 量對帶寬的影響，建立波導(dǎo)型光電探測器的等效電路模型；
[0039] 該等效電路模型具體包括：表征波導(dǎo)型光電探測器載流子渡越時間的電阻Rt和電 容C t;一個壓控電流源、結(jié)電阻R jP結(jié)電容C 非本征區(qū)耗損電阻Rs以及互連線引入的寄 生電阻Rb、寄生電容Cb和寄生電感L b等。
[0040] 102 :選取適當(dāng)數(shù)量的波導(dǎo)型光電探測器，分別進(jìn)行散射參數(shù)S21和S22的測量，基 于散射參數(shù)計算值與測量值的相對誤差，建立目標(biāo)函數(shù)；
[0041] 具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對波導(dǎo)型光電探測器的數(shù)量不做限制，根據(jù)實際應(yīng)用 中的需要進(jìn)行設(shè)定。
[0042] 103 :設(shè)置模擬退火算法的各項參數(shù)，擬合波導(dǎo)型光電探測器的散射參數(shù)S21和S22 隨頻率變化的測試曲線，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)F趨近于最小值，從而提取等效電路模 型中的各個參量。
[0043] 其中，模擬退火算法中的各項參數(shù)包括：等效電路模型參數(shù)初始值、退火起始溫 度、最大迭代次數(shù)等。
[0044] 綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述步驟101-103,采用模擬退火算法對光電探測器 的特性曲線進(jìn)行擬合，提取模型參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映波導(dǎo)型光電探測器的特性，并實現(xiàn)光 電探測器與電子電路的協(xié)同設(shè)計與仿真。
[0045] 實施例2
[0046] 下面以一種PIN結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)型光電探測器為例，簡述在ImW的光功率福射條件下， 對其等效電路的建模過程做進(jìn)一步說明：
[0047] 201 :波導(dǎo)型光電探測器等效電路的建模；
[0048] 參見圖1，對于波導(dǎo)型光電探測器的本征部分，采用RC串聯(lián)回路（電阻Rt和電容 Ct，電壓用Vrf表示）及一個壓控電流源（gni ·Vrf)表征。參見圖2,對于寄生效應(yīng)的影響，采 用電阻、電容和電感的組合來等效。其中，&和C ;表征結(jié)電阻和結(jié)電容，RsS非本征區(qū)耗損 電阻；Rb、Cb、L b分別表示互連線引入的寄生電阻、寄生電容和寄生電感。
[0049] 202 :選取適