基于并行高速光电子集成器件热效应的仿真、测试与分析

This research project is based on the physical properties of parallel high-speed optoelectronic integrated devices. The major work of research is to simulate and analyze the heat distribution and thermal effects of parallel high-speed optoelectronic integrated-chip which were affacted by external modulation and absorption of light, and to study the changes of transient spectrum and frequency response on different thermal state conditions. With the use of the three-dimensional time-dependent thermal dynamic model, the temperature distribution in the optoelectronic integrated device can be acquired. Meanwhile, the impaction of heat generation, conduction and crosstalk on the spectrum and dynamic characteristics of the optoelectronic integrated devices in different modulation state can also be analyzed with the multi-port testing and integrated model of calculation and testing methods. ..This project has scientific significance on research and development of parallel high-speed integrated electronic devices. This project can give an in-depth analysis about the generation and conduction of internal thermal effects in optoelectronic integrated device and the impact on the transient spectrum and high frequency response, and also provide a scientific basis for the optimization of parallel high-speed optoelectronic integrated devices.

本项目是面向并行高速光电子集成器件的物理特性进行研究，主要是对并行高速光电子集成芯片在工作过程中由于外加调制，以及材料自身光吸收所产生的热分布和热效应进行模拟和分析，并对不同热状态条件下引起的瞬态光谱和频率响应的变化进行深入研究。项目中首先根据器件生长、对接结构来建立与时间相关的有限元三维热力学模型，通过该模型来获得光电子集成器件内部与时间相关的三维温度分布；然后结合多端口测试和一体化模型的计算和测试方法来深入综合分析不同调制状态下，热的产生、传递和串扰对光电子集成器件的瞬态光谱和动态调制特性的影响。.本项目的研究成果对并行高速集成光电子器件的研究和发展具有极其重要的科学意义，通过本项目的研究可以深入剖析光电子集成器件内部热效应的产生和传递机理，以及对器件瞬态光谱和高频响应的影响，为并行高速光电子集成器件的优化设计提供科学依据。

随着信息科学的飞速发展，基于传统的分立元件技术的产品和应用已经不能满足未来高速数据连接和处理的市场需求，将光电子器件集成化和小型化成为未来发展的重要研究方向。然而，在实际研发和测试当中发现随着集成度的提高和体积减小，芯片局域热积累严重，产生了严重的热串扰现象，并影响到激光器的光功率、线宽和相对强度噪声等性能，限制了集成光电子器件的应用。因此，探究热产生原因，发现热传递机理，为集成光电子器件的加工设计提供合理化建议成为改善集成光电子器件综合性能的一个关键。. 在本项目中，我们利用ANSYS分析软件的热分析模块，探索并建立了以阵列半导体激光器为代表的高速集成光电子器件通用热力学模型，该模型针对光电子器件的不同部位进行细度设定、边界及粘贴处细化处理、并结合ANSYS自带的自动网格划分功能，最终，得到了即符合我们现有的计算机运算能力，而且又有足够精度的仿真结果。达到了项目开展之初设定的建立通用、有效和准确的并行高速集成光电子器件与时间相关的有限元三维热力学模型的研究目标，利用该模型对高速集成光电子器件的排布方式、衬底材料和散热结构等进行了细致的热力学分析，并利用搭建的高速集成光电子器件耦合与测试平台来验证分析结果，所得到的分析结果对改进并行高速集成光电子器件设计和提高综合性能提供技术积累和有益参考。