CN109635519B - 一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成器件的建模领域，公开了一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法。包括：在室温下测量器件独立工作时的温度分布曲线以及独立工作时的输出结果r_i；测量不同温度T下的器件输出结果r_iT；以室温下独立工作的输出结果为参考，得到温度对器件输出结果的影响；建立器件输出的理想数学模型，并调节参数使数学模型输出结果与室温下独立工作的输出结果相同；提取数学模型中的温度因子ξ，温度对器件输出结果的影响，反演出温度因子与温度的函数关系ξ(T)；将温度因子ξ以及函数关系ξ(T)代入数学模型，完成模型输出特性的计算。本发明针对高集成的建模仿真领域，可解决温度对器件建模精度的影响，建模速度快、精度高。

Description

一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法

技术领域

本发明涉及集成器件的建模领域，特别是一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法。

背景技术

器件电磁场建模是实现高集成系统设计和分析的基础。一个理想的元器件模型，既能正确表征元器件的物理特性，又能适应在计算机中运行数值求解。近年来集成电路技术迅速发展，器件和系统特征尺寸不断缩小，其功率密度则成倍增加，不仅使器件自身的工作温度不断升高，其热效应的扩散对也使周围材料的温度上升，对周围器件乃至整个集成系统的性能造成严重影响。因此，为了集成提高系统的稳定性，在设计之初就应该对其所使用的器件的温度特性做出分析，而这些要求对器件的建模技术提出了更多的挑战。

目前，器件的电磁场建模的常用方法包括：物理模型、数学模型和黑箱模型等。其中物理模型是指基于工艺材料或半导体器件的物理特性进行理论分析和计算，这种模型通常用来设计器组件，从设计电路的角度来看其应用不方便，而且仿真非常耗时，另外工艺上稍有改变，模型就会失效。但这种模型也有其优点，即物理概念清晰，能够在不依赖测试结果的情况下预测器件的性能；数学模型是指对物理特性进行抽象，得到其参数化的数学表达形式。这种模型是电子系统工艺级和器件级建模中实用的方法，模型精度主要取决于等效电路的形式及其数学描述。该模型中，反映器件特性的模型方程是基于器件物理方程导出的，但是做了必要的等效和简化。这类模型的优点是需要的数据少，建立模型需要的时间较短，其缺点是无法与工艺技术相互关联；黑箱模型(black box model)是把建模对象看成一个黑箱，不需要知道内部的结构和作用机理，只需知道端口的工作特性，确定该从激励信号到响应信号之间的数值转换关系。显然，这是一种纯粹的数学模型，它无需相关的物理工艺知识和电路结构知识，因此建模的背景知识可独立于各专业学科外。

以上建模方法各有优点，也各自适用于不同的应用领域。但是，针对微波光子器件的建模，以上技术大多只考虑了单一物理场因素(主要是电磁场)。虽然在单一器件的建模和仿真中已经能够得到较高的精度，但是在构建复杂系统的多器件联合仿真中，特别是在高集成度的功能系统仿真中，单器件的模型精度又会受到其他物理场的影响，例如温度扩散和串扰。因此，考虑温度因素的微波光子器件模型的构建在集成化、小型化的系统中是一个很关键的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法。

本发明采用的技术方案如下：一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，包括：

步骤S1，在室温下测量器件独立工作时的温度分布曲线；步骤S2，在室温下测量器件独立工作时的输出结果r_i，其中i为采样点；步骤S3，测量不同温度T下的器件输出结果r_iT；步骤S4，以室温下独立工作的输出结果为参考，将不同温度下的器件输出结果与参考值相减，即r_iT-r_i，得到温度对器件输出结果的影响；该步骤计算出不同温度下器件输出特性的相对波动，可以得到温度与器件相对特性的映射表；步骤S5，建立器件输出的理想数学模型，并调节参数使数学模型输出结果与室温下独立工作的输出结果相同；步骤S6，提取数学模型中的温度因子ξ，根据步骤S4的结果，反演出温度因子与温度的函数关系ξ(T)；步骤S7，将温度因子ξ以及函数关系ξ(T)代入数学模型，完成模型输出特性的计算。

进一步的，所述步骤S1的过程为：利用贴片型或非接触型温度传感器测量器件稳定工作时的温度，根据器件所处的介质导热特性，利用经典物理学中的热传导方程计算出温度分布曲线χ(d)。由于本发明是面向集成化系统中的器件建模，每个器件尺寸小，因而器件内部的温度分布可以等效为平均分布，即器件平面内的温度是相等的。而每个器件的温度可以使用器件中心点的温度来等效。

进一步的，所述步骤S1中的温度分布曲线χ(d)的距离d是测试点与该器件中心点的距离。

进一步的，所述步骤S2和步骤S3中，测量的参数包括温度、RF输入功率、幅度、相位。

进一步的，所述步骤S5的具体过程为：基于数学模型建立器件模型y_i＝f(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)，i为采样点，n为模型参数的个数，ξ为参数类型，f为模型室温下的传输函数；以室温下器件独立工作时输出结果作为参考，调节模型的参数ξ₁,ξ₂,…,ξ_n，使常温下满足y_i＝r_i。该过程是模型的调校和校准过程，确定常温下的各器件参数配置(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)和传输特性f，使其与常温下实际器件的输出特性相同。

进一步的，所述步骤S7中，将温度因子ξ以及函数关系ξ(T)代入数学模型后，得到最终的输出结果y_i＝f(ξ₁,ξ₂,…,ξ_l(T),…,ξ_n)。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明针对高集成的建模仿真领域，将器件温度因素引入模型的构建中，通过测量、拟合的方式得到器件的温度场特性，以此为依据来修正模型的数学表达式，以实现高精度的器件建模方法，适用于微波、光学以及微波光子学等领域的建模。与传统建模技术相比，本发明引入温度参数，通过样件测试与数学模型相结合的方法，反演出温度因素与器件参数的近似函数关系，进而可以实现快速、高精度的器件建模，以提升高集成系统的设计能力和设计成功率。

附图说明

图1是本发明基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法的流程示意图。

图2是器件独立工作时的温度分布测量方法流程图。

图3是典型的双臂马赫增德尔调制器独立工作时温度分布的示意图。

图4是不同温度下的马赫增德尔输入RF信号与输出信号的关系示意图。

图5是不同温度下的马赫增德尔输出的时间波形图。

图6是不同温度下的马赫增德尔输出特性仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，包括：步骤S1，在室温下测量器件独立工作时的温度分布曲线；步骤S2，在室温下测量器件独立工作时的输出结果r_i，其中i为采样点；该测量结果是器件处于最佳工作状态的结果，不受温度变化的影响，可以根据数学模型来建立；步骤S3，测量不同温度T下的器件输出结果r_iT；步骤S4，以室温下独立工作的输出结果为参考，将不同温度下的器件输出结果与参考值相减，即r_iT-r_i，得到温度对器件输出结果的影响；步骤S5，建立器件输出的理想数学模型，并调节参数使数学模型输出结果与室温下独立工作的输出结果相同；步骤S6，提取数学模型中的温度因子ξ，根据步骤S4的结果，反演出温度因子与温度的函数关系ξ(T)；步骤S7，将温度因子ξ以及函数关系ξ(T)代入数学模型，完成模型输出特性的计算。上述方案在充分考虑温度的影响下，修正了传统器件的数学模型误差，，引入温度场和电磁场的耦合，使模型表述更加准确；该模型采用热力学等效的形式，不需要复杂的热力学仿真；该方案适用于微波、光学以及微波光子学等领域的器件建模。一般来讲，高精度的器件建模在高集成系统仿真和开发中具有重大意义，因此本发明能够提升集成系统的设计能力和成功率，在系统建模仿真领域具有重大意义与应用价值。

另一个实施例以一个典型的双臂马赫增德尔调制的建模为例对上述过程进行阐述。如首先图2所示，在25℃的室温下利用贴片型或非接触型温度传感器测量器件稳定工作时中心点的温度25℃，根据器件所处的介质导热特性，利用经典物理学中的热传导方程计算出温度分布曲线χ(d)，结果如图3所示。上述过程温度分布曲线χ(d)的距离d是测试点与该器件中心点的距离。

由图3可知，马赫增德尔调制器工作时不会产生明显的热量，因此即便在系统集成中，该器件的工作不会影响周围器件的工作状态。

接着，在不同温度下，测量调制器独立、正常工作时的输出结果，测量参数包括温度、RF输入功率、S12幅度、S12相位等信息。由于上述测试数据量较大，本发明并没有给出实际的测试数据，为了便于直观显示，将数据转换成了图4的RF输入幅度和输出幅度的关系在不同温度情况下的关系。同时，为了更加直观地显示温度带来的器件输出性能变化，图5给出了时域波形图。

接下来，基于马赫增德尔调制器的数学表达式利用Matlab建立数学模型(不含温度信息)，最终输出结果的表达式为

其中，

P_out＝|E_out|² (5)

其中，V_in为输入微波信号的电压值，V_on为调制器工作在最大传输点的电压，E_in为输入信号的光场，通过调节参数V_on、插损EL_dB、半波电压V_π，啁啾系数α，消光比ER_LIN使数学模型与室温下的测试数据相同，确定室温下模型的各个参数。

由图4和图5可知，调制器工作时虽然产生的热量较小，但是该器件却是温度敏感器件，环境温度会显著影响其输出的特性。因此，当进行高密度集成时，比如该器件周围存在放大器，那么放大器产生的热量将会显著改变调制器所处的环境温度。此时，基于上述传统数学模型的建模方法所得出的输出特性将会产生严重的失真。因此，温度参量的引入在高精度建模中必不可少。

研究发现，对于调制器来说，温度的变化最为直接的影响是最大传输点V_on。因此，通过图4和图5的测量数据，通过函数拟合的方式反演出V_on随温度的近似变化特性，即

V_on＝f(T) (7)

最后将式(7)代入式(1)和式(2)，就可以获得与温度相关的马赫增德尔调制器模型，即

图6给出了基于本发明所提出的高精度马赫增德尔调制器模型仿真结果。对比图5的测试结果，该仿真结果在对应温度下的输出特性具备较高的准确度。

由以上结果中可以观察到，本发明利用样件测试与数学模型相结合的方法，通过引入温度信息，成功实现了高精度微波光子器件的建模，提升了高集成系统的设计能力和设计成功率。该方案适用于微波、光学以及微波光子学等领域的建模，在高集成系统的研究和设计中具有重大意义与应用价值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，其特征在于，包括：

步骤S1，在室温下测量器件独立工作时的温度分布曲线；步骤S2，在室温下测量器件独立工作时的输出结果r_i，其中i为采样点；步骤S3，测量不同温度T下的器件输出结果r_iT；步骤S4，以室温下独立工作的输出结果为参考，将不同温度下的器件输出结果与参考值相减，即r_iT-r_i，得到温度对器件输出结果的影响；步骤S5，建立器件输出的理想数学模型，并调节参数使数学模型输出结果与室温下独立工作的输出结果相同；步骤S6，提取数学模型中的温度因子ξ，根据步骤S4的结果，反演出温度因子与温度的函数关系ξ(T)；步骤S7，将温度因子ξ以及函数关系ξ(T)代入数学模型，完成模型输出特性的计算。

2.如权利要求1所述的基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，其特征在于，所述步骤S1的过程为：利用贴片型或非接触型温度传感器测量器件稳定工作时的温度，根据器件所处的介质导热特性，利用经典物理学中的热传导方程计算出温度分布曲线χ(d)。

3.如权利要求2所述的基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，其特征在于，所述步骤S1中的温度分布曲线χ(d)的距离d是测试点与该器件中心点的距离。

4.如权利要求3所述的基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S3中，测量的参数包括温度、RF输入功率、幅度、相位。

5.如权利要求4所述的基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，其特征在于，所述步骤S5的具体过程为：基于数学模型建立器件模型y_i＝f(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)，i为采样点，n为模型参数的个数，ξ为参数类型，f为模型室温下的传输函数；以室温下器件独立工作时输出结果作为参考，调节模型的参数ξ₁,ξ₂,…,ξ_n，使常温下满足y_i＝r_i。

6.如权利要求5所述的基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，其特征在于，所述步骤S7中，将温度因子ξ以及函数关系ξ(T)代入数学模型后，得到最终的输出结果y_i＝f(ξ₁,ξ₂,…,ξ_l(T),…,ξ_n)。

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