CN105302971A - 一种波导型光电探测器等效电路的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，所述建模方法基于模拟退火算法，所述建模方法包括以下步骤：根据波导型光电探测器的物理结构，分别考虑载流子渡越时间、外部寄生参量对带宽的影响，建立波导型光电探测器的等效电路模型；对若干个波导型光电探测器进行散射参数的测量，通过散射参数计算值与测量值的相对误差，建立目标函数；通过模拟退火算法拟合散射参数随频率变化的测试曲线，优化目标函数，提取等效电路模型中的各个元件值。本发明在建模过程不涉及器件的内部特性，因而避免了复杂的物理推导过程和近似计算带来的误差；因而能够准确地反映波导型光电探测器的特性，并实现光电探测器与电子电路的协同设计与仿真。

Description

一种波导型光电探测器等效电路的建模方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，该建模方法基于模拟退火算法。

背景技术

光纤通信技术的飞速发展，对光纤通信系统的灵敏度、响应速率及可靠性等方面的要求越来越高。为了满足光通信技术未来的发展需求，具有高速、高集成度的光电集成电路成为研究的热点。光电探测器作为一种将入射光信号转换成电信号输出的光电器件，在军事和国民经济的各个领域得到了广泛运用，特别是在光纤通信中，它是整个光纤通信系统的关键器件之一。

光电探测器作为光纤通信系统的重要组成部分，其性能的优劣对整个光纤通信系统的通信质量起着至关重要的作用。波导型光电探测器通过波导与探测器耦合，实现侧面光入射，其内量子效率由光波导的长度决定，而响应速度则由光吸收层的厚度决定，因而这种器件结构允许对带宽和量子效率分别进行优化，克服了工作速度和量子效率的矛盾，有效提高了探测器的增益带宽积。

目前光电探测器的建模方法大多基于器件内部的物理特性方程，对器件参数进行求解，而物理方程的复杂性以及求解过程中的近似计算都会对等效电路模型的精度产生影响。

发明内容

本发明提供了一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，本发明采用模拟退火算法对光电探测器的特性曲线进行拟合，提取模型参数，能够准确地反映波导型光电探测器的特性，并实现光电探测器与电子电路的协同设计与仿真，详见下文描述：

一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，所述建模方法基于模拟退火算法，所述建模方法包括以下步骤：

根据波导型光电探测器的物理结构，分别考虑载流子渡越时间、外部寄生参量对带宽的影响，建立波导型光电探测器的等效电路模型；

对若干个波导型光电探测器进行散射参数的测量，通过散射参数计算值与测量值的相对误差，建立目标函数；

通过模拟退火算法拟合散射参数随频率变化的测试曲线，优化目标函数，提取等效电路模型中的各个元件值。

所述等效电路模型包括：

表征波导型光电探测器载流子渡越时间的电阻和电容；

压控电流源、结电阻和结电容；

非本征区耗损电阻、以及互连线引入的寄生电阻、寄生电容和寄生电感。

其中，所述目标函数为：

$F=\underset{f}{\Σ}\left(\right|\frac{S_{21m}-S_{21c}}{S_{21m}}|+|\frac{S_{22m}-S_{22c}}{S_{22m}}\left|\right)$

其中，F为目标函数；S_21m、S_21c分别为散射参数S₂₁的测量值和计算值；S_22m、S_22c分别为散射参数S₂₂的测量值和计算值；f为频率点。

进一步地，所述优化目标函数为：使目标函数趋近于最小值。

进一步地，所述建模方法还包括：

利用电路仿真软件绘制波导型光电探测器的等效电路图，并通过提取的各个元件值设置电路元件参数；

在一定的频率范围内进行电路性能模拟仿真；

将仿真结果与实际测试的散射参数随频率变化的特性曲线进行对比，验证等效电路的准确性。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、建模过程不涉及器件的内部特性，因而避免了复杂的物理推导过程和近似计算带来的误差；

2、模型参数提取过程所采用的模拟退火算法具有使用灵活、运行效率高等优点，能够概率性地跳出局部极值，获得全局最优解，较少受到初始条件的约束；

3、利用本方法建立的等效电路模型可嵌入到Cadence/ADS等通用电路仿真软件中，实现光电探测器与后续电子电路的协同设计，使光电集成芯片的性能最优化，更好地应用于单片集成光接收机系统的综合设计。

附图说明

图1为光电探测器本征部分等效电路示意图；

图2为光电探测器寄生参量等效电路示意图；

图3为模拟退火算法的流程图；

图4为光电探测器整体等效电路示意图；

图5为一种波导型光电探测器等效电路的建模方法的流程图；

图6为波导型光电探测器S₂₁参数的仿真曲线和测试结果对比示意图；

图7为波导型光电探测器S₂₂参数的仿真曲线和测试结果对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

模拟退火算法是基于蒙特卡罗迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于固体物质的退火过程与优化问题之间的相似性。从某一初始温度开始，结合温度参数变化和概率突跳特性，在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解，即在局部最优解处能概率性地跳出，并最终趋于全局最优解，避免在全局寻优过程中陷入局部最优解，同时克服优化过程对初值的依赖性。模拟退火算法作为一种通用的优化算法，在超大规模集成电路设计及控制工程等领域得到广泛应用。

本发明实施例设计的基于模拟退火算法的光电探测器建模方法避免了物理方程求解过程中所带来的问题，同时能够准确地反映器件特性，实现光电探测器与后续放大电路的协同设计与仿真，对光电集成电路的设计优化具有重要的意义。

实施例1

本发明实施例提供了一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，参见图1、图2、图3、图4和图5，该建模方法基于模拟退火算法，在一定的辐射功率和器件偏压条件下，对波导型光电探测器进行电特性测试，然后根据器件物理结构建立等效电路模型，应用模拟退火算法提取模型参数，该方法具体包括以下步骤：

101：根据波导型光电探测器的物理结构，分别考虑载流子渡越时间和外部寄生参量对带宽的影响，建立波导型光电探测器的等效电路模型；

该等效电路模型具体包括：表征波导型光电探测器载流子渡越时间的电阻R_t和电容C_t；一个压控电流源、结电阻R_j和结电容C_j；非本征区耗损电阻R_s以及互连线引入的寄生电阻R_b、寄生电容C_b和寄生电感L_b等。

102：选取适当数量的波导型光电探测器，分别进行散射参数S₂₁和S₂₂的测量，基于散射参数计算值与测量值的相对误差，建立目标函数；

具体实现时，本发明实施例对波导型光电探测器的数量不做限制，根据实际应用中的需要进行设定。

103：设置模拟退火算法的各项参数，拟合波导型光电探测器的散射参数S₂₁和S₂₂随频率变化的测试曲线，优化目标函数，使目标函数F趋近于最小值，从而提取等效电路模型中的各个参量。

其中，模拟退火算法中的各项参数包括：等效电路模型参数初始值、退火起始温度、最大迭代次数等。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-103，采用模拟退火算法对光电探测器的特性曲线进行拟合，提取模型参数，能够准确地反映波导型光电探测器的特性，并实现光电探测器与电子电路的协同设计与仿真。

实施例2

下面以一种PIN结构的波导型光电探测器为例，简述在1mW的光功率辐射条件下，对其等效电路的建模过程做进一步说明：

201：波导型光电探测器等效电路的建模；

参见图1，对于波导型光电探测器的本征部分，采用RC串联回路(电阻R_t和电容C_t，电压用V_RF表示)及一个压控电流源(g_m·V_RF)表征。参见图2，对于寄生效应的影响，采用电阻、电容和电感的组合来等效。其中，R_j和C_j表征结电阻和结电容，R_s为非本征区耗损电阻；R_b、C_b、L_b分别表示互连线引入的寄生电阻、寄生电容和寄生电感。

202：选取适当数量的波导型光电探测器，分别进行散射参数S₂₁和S₂₂的测量，基于散射参数计算值与测量值的相对误差，建立优化目标函数F；

计算波导型光电探测器等效电路的转移矩阵：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ {\mathrm{j\ωC}}_t/(1+{\mathrm{j\ωR}}_t{C}_t)& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 1/g_m\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ {\mathrm{j\ωC}}_j/(1+{\mathrm{j\ωR}}_j{C}_j)& 1\end{array}\right]\·\\ \left[\begin{array}{cc}1& R_S\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ {\mathrm{j\ωC}}_b& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& {\mathrm{j\ωL}}_b+R_b\\ 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

对上述转移矩阵进行归一化，即得归一化转移矩阵：

$\left[\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A\sqrt{Z_{02}/Z_{01}}& B/\sqrt{Z_{01}{Z}_{02}}\\ C\sqrt{Z_{01}{Z}_{02}}& D\sqrt{Z_{01}/Z_{02}}\end{array}\right]$

根据二端口网络散射矩阵与归一化转移矩阵的关系，可直接写出散射参数S₂₁和S₂₂的表达式：

$S_{21}=\frac{2}{a+b+c+d}$

$S_{22}=\frac{b-a+d-c}{a+b+c+d}$

其中，ω为角频率；g_m为等效电路中的模型参数；Z₀₁和Z₀₂分别为输入和输出端口的特性阻抗；A、B、C和D为转移矩阵的元素值；a、b、c和d为归一化矩阵的元素值。

分别选取波导型光电探测器在一定频率范围内的S₂₁和S₂₂测量值，并基于计算值和测量值的相对误差，建立如下的目标函数F：

$F=\underset{f}{\Σ}\left(\right|\frac{S_{21m}-S_{21c}}{S_{21m}}|+|\frac{S_{22m}-S_{22c}}{S_{22m}}\left|\right)$

其中，S_21m、S_21c分别为波导型光电探测器散射参数S₂₁的测量值和计算值(即，S_21c为上述表达式中的S₂₁)；S_22m、S_22c分别为探测器散射参数S₂₂的测量值和计算值(即，S_22c为上述表达式中的S₂₂)；f为所有的频率点。

203：设置模拟退火算法的各项参数，拟合波导型光电探测器的散射参数S₂₁和S₂₂随频率变化的测试曲线，优化目标函数，使目标函数F趋近于最小值，从而提取等效电路模型中的各个参量。

参见图3所示的模拟退火算法的流程图。在Matlab工具中，设置模拟退火算法的各项参数，包括：模型参数初始值(即等效电路模型中9个元件的初始值，该初始值随机生成，本发明实施例对此不做限制)、退火起始温度、最大迭代次数等，拟合波导型光电探测器的散射参数S₂₁和S₂₂随频率变化的测试曲线，并提取等效电路模型中的各个参量。

上述的模拟退火算法终止准则由以下三种情况其一决定：1)温度降至最小值；2)马尔科夫链连续L个数字串保持不变；3)达到最大迭代次数；以上情况满足其一，即满足算法终止准则(在图3中统一用是否满足算法终止准则代替)。

其中，图3中所示的模拟退火算法的流程为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-203，采用模拟退火算法对波导型光电探测器的特性曲线进行拟合，提取模型参数，能够准确地反映波导型光电探测器的特性，并实现波导型光电探测器与电子电路的协同设计与仿真。

实施例3

下面结合具体的电路仿真软件、仿真波形图、对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

本发明实施例还提供了对实施例1和2中的上述等效电路模型的验证过程，该验证过程包括：

1)对波导型光电探测器进行电特性测试，获取散射参数随频率变化的特性曲线；

实际应用时，可以利用矢量网络分析仪，在一定的辐射功率和器件偏压条件下，分别测量波导型光电探测器的散射参数S₂₁和S₂₂随频率变化的特性曲线。

其中，辐射功率根据实际测试环境进行取值，器件偏压为波导型光电探测器所加的反向电压，根据器件性能选取适当值。具体实现时，本发明实施例对上述辐射功率和器件偏压条件不做限制。

本发明实施例基于光电测试平台，采用微波矢量网络分析仪和波长为1550nm的激光器，测量波导型光电探测器的S₂₁和S₂₂特性曲线。

2)通过电路仿真软件对实际测试曲线和仿真曲线进行对比验证。

参见图4，利用电路仿真软件ADS绘制波导型光电探测器的等效电路图，并用表1提取的参量值设置电路元件参数，随后在频率范围为100MHz-20GHz范围内进行电路性能模拟仿真，并将仿真结果与步骤1)中实际测试的特性曲线(即散射参数S₂₁和S₂₂随频率变化的特性曲线)进行对比，验证等效电路模型的准确性。

表1模型参数提取结果

Rt/Ω	Ct/fF	gm/s	Rj/Ω	Cj/fF	Rs/Ω	Cb/fF	Lb/pH	Rb/Ω
									171.9	85.8	0.0089	20.5	84.5	13.2	11.3	20.2	13.0

在本发明实施例中的频率(频率点f的取值)具体为：100MHz、2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz和16GHz。

参见图6、图7(图7中实线为探测器等效电路S₂₂的模拟值，虚线(一段段的粗线组成)为探测器S₂₂的实测值)，通过上述等效电路模型的S₂₁和S₂₂仿真曲线和实际测试特性曲线进行对比，可以看出两者能够很好地吻合。

由此可得，本发明实施例所提出的建模方法能够准确地反映波导型光电探测器的特性，验证了等效电路模型的精确性。

具体实现时，基于模拟退火算法建立的波导型光电探测器模型可为Cadence、ADS等电路仿真软件提供准确的光电探测器模型。

其中，Cadence、ADS为本领域技术人员所公知的电路仿真软件，本发明实施例对此不做赘述。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，所述建模方法基于模拟退火算法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤：

根据波导型光电探测器的物理结构，分别考虑载流子渡越时间、外部寄生参量对带宽的影响，建立波导型光电探测器的等效电路模型；

对若干个波导型光电探测器进行散射参数的测量，通过散射参数计算值与测量值的相对误差，建立目标函数；

通过模拟退火算法拟合散射参数随频率变化的测试曲线，优化目标函数，提取等效电路模型中的各个元件值。

2.根据权利要求1所述的一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，其特征在于，所述等效电路模型包括：

表征波导型光电探测器载流子渡越时间的电阻和电容；

压控电流源、结电阻和结电容；

非本征区耗损电阻、以及互连线引入的寄生电阻、寄生电容和寄生电感。

3.根据权利要求1所述的一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，其特征在于，所述目标函数为：

$F=\underset{f}{\Σ}\left(\left|\frac{S_{21m}-S_{21c}}{S_{21m}}\right|+\left|\frac{S_{22m}-S_{22c}}{S_{22m}}\right|\right)$

其中，F为目标函数；S_21m、S_21c分别为散射参数S₂₁的测量值和计算值；S_22m、S_22c分别为散射参数S₂₂的测量值和计算值；f为频率点。

4.根据权利要求1所述的一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，其特征在于，所述优化目标函数为：使目标函数趋近于最小值。

5.根据权利要求1所述的一种波导型光电探测器等效电路的建模方法，其特征在于，所述建模方法还包括：

利用电路仿真软件绘制波导型光电探测器的等效电路图，并通过提取的各个元件值设置电路元件参数；

在一定的频率范围内进行电路性能模拟仿真；

将仿真结果与实际测试的散射参数随频率变化的特性曲线进行对比，验证等效电路的准确性。