一种波导型光电探测器等效电路的建模方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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：
[0006] -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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 所述等效电路模型包括：
[0011] 表征波导型光电探测器载流子渡越时间的电阻和电容；
[0012] 压控电流源、结电阻和结电容；
[0013] 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。
[0014] 其中，所述目标函数为：
[0016] 其中，F为目标函数；S21ni、S21。分别为散射参数S 21的测量值和计算值；S 22ni、S22。分 别为散射参数S22的测量值和计算值；f为频率点。
[0017] 进一步地，所述优化目标函数为：使目标函数趋近于最小值。
[0018] 进一步地，所述建模方法还包括：
[0019] 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；
[0020] 在一定的频率范围内进行电路性能模拟仿真；
[0021] 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。
[0022] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0023] 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；
[0024] 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；
[0025] 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】
[0026] 图1为光电探测器本征部分等效电路示意图；
[0027] 图2为光电探测器寄生参量等效电路示意图；
[0028] 图3为模拟退火算法的流程图；
[0029] 图4为光电探测器整体等效电路示意图；
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 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】
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 实施例1
[0037] 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：
[0038] 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；
[0039] 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Rt和电 容C t;一个压控电流源、结电阻R jP结电容C 非本征区耗损电阻Rs以及互连线引入的寄 生电阻Rb、寄生电容Cb和寄生电感L b等。
[0040] 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；
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 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。
[0045] 实施例2
[0046] 下面以一种PIN结构的波导型光电探测器为例，简述在ImW的光功率福射条件下， 对其等效电路的建模过程做进一步说明：
[0047] 201 :波导型光电探测器等效电路的建模；
[0048] 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Rt和电容 Ct，电压用Vrf表示）及一个压控电流源（gni ·Vrf)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，&和C ;表征结电阻和结电容，RsS非本征区耗损 电阻；Rb、Cb、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。
[0049] 202 :选取适