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21. 光学产生（Optical Generation）
本章描述了当光波穿透器件、被吸收并产生电子-空穴对时，用于计算光学产生率的各种方法。
这些方法包括简单光束吸收、光线追踪法、传输矩阵法、时域有限差分法、光束传播法以及从文件加载外部分布。还可以使用不同类型的折射率模型和吸收模型、参数斜坡以及光学交流分析。
光学产生概述
光学产生计算的统一接口可提供一致的仿真设置，无论底层光学求解器方法如何。这允许在仿真过程中逐步细化结果，并在精度与计算时间之间取得平衡，同时只需更改特定于求解器的参数。有几种独立于所选光学求解器的方法可用于计算光学产生：
•
基于光学载流子产生的物理模型，独立于具体的光学求解器（见光学载流子产生物理模型，第684页）。
•
计算均匀光照下的光学产生（见ComputeFromMonochromaticSource，第684页）。
•
从外部工具或先前仿真加载光学解（见从文件加载光学问题解，第785页）。
•
使用光谱光照计算光学产生（见光照光谱，第686页）。
•
使用恒定值设置光学产生（见设置恒定光学产生，第688页）。
统一接口的光学产生计算
光学产生的统一接口通过OpticalGeneration部分进行配置，可与多种光学求解器结合使用。
设置全局参数
OpticalGeneration部分用于设置全局参数，这些参数适用于所有类型的光学产生计算，除非在各自的部分中另有指定。
以下参数可以全局设置，也可以针对每种类型的光学产生计算单独设置：
•
Scaling：缩放因子，默认为1.0。
•
TimeDependence：时间依赖性（见瞬态仿真时间依赖性说明，第696页）。
•
SetConstant：将恒定光学产生率分配给指定的区域或材料（见设置恒定光学产生，第688页）。
物理光学载流子产生模型
光学产生率由吸收的光子通量乘以量子产率得到：
其中，是吸收的光子通量。
量子产率定义为每个吸收光子产生的载流子对数。在硅中，室温下产生一个电子-空穴对所需的平均能量约为。
ComputeFromMonochromaticSource
对于给定波长和入射方向的单色光源，光学产生率计算为：
其中是吸收系数，是光学强度，是波长，是普朗克常数，是光速。
以下语法激活单色光源的光学产生计算：
bash
Physics {
Optics (
OpticalGeneration (
ComputeFromMonochromaticSource ()
)
)
}光照光谱（Illumination Spectrum）
使用ComputeFromSpectrum可以从光谱光照计算光学产生。光谱被离散化为多个波长区间，每个区间内的强度由光谱文件指定。
光谱文件格式如下：
bash
File {
IlluminationSpectrum = "spectrum.txt"
}
Physics {
Optics (
OpticalGeneration (
ComputeFromSpectrum ()
)
)
}光谱文件格式为：
# Wavelength[um] Intensity[W/cm2]
0.3 0.1
0.4 0.2
0.5 0.5
0.6 0.3
0.7 0.1设置恒定光学产生（SetConstant）
可以使用SetConstant为特定区域或材料设置恒定的光学产生率：
bash
Physics {
Optics (
OpticalGeneration (
SetConstant (
Region = "absorber"
Value = 1e21
)
)
)
}复杂折射率模型
光学仿真的准确性高度依赖于复杂折射率模型的正确指定。Sentaurus Device支持多种复杂折射率模型，包括：
•
常数折射率
•
波长依赖性折射率
•
温度依赖性折射率
•
载流子密度依赖性折射率
•
用户自定义模型
复杂折射率定义为：
其中是实折射率，是消光系数。
光线追踪法（Raytracing）
Sentaurus Device支持使用光线追踪法进行二维和三维光产生仿真。该方法基于几何光学，计算折射、透射和反射。
光线追踪物理模型
当光线穿过具有不同折射率的区域时，在界面处发生反射和透射。反射和透射系数由菲涅耳方程给出：
对于TE偏振（s波）：
对于TM偏振（p波）：
其中是入射角，是折射角，和是两种介质的折射率。
使用光线追踪
以下示例展示光线追踪的配置：
bash
Physics {
Optics (
ComplexRefractiveIndex (
WavelengthDep (real imag)
)
OpticalGeneration (
ComputeFromMonochromaticSource ()
)
Excitation (
Wavelength = 0.5
Intensity = 0.1
Theta = 0
PolarizationAngle = 45
)
OpticalSolver (
RayTracing (
RayDistribution (
WindowName = "L1"
Mode = Equidistant
NumberOfRays = 100
)
)
)
)
}传输矩阵法（Transfer Matrix Method）
传输矩阵法（TMM）用于计算平面波在层状介质中的传播。
TMM物理模型
假设单色平面波以任意入射角和偏振态穿透多个平面平行层。每层必须是均匀的、各向同性的和光学线性的。
在这种情况下，每层中的前向和后向运行波的振幅和通过传输矩阵计算。
界面的传输矩阵定义为：
其中（对于E偏振/TE）和（对于H偏振/TM）。
使用TMM
以下示例展示TMM的配置：
bash
Physics {
Optics (
ComplexRefractiveIndex (
WavelengthDep (real imag)
)
OpticalGeneration (
ComputeFromMonochromaticSource ()
)
Excitation (
Wavelength = 0.5
Intensity = 0.1
Window ("L1") (
Rectangle (dx = 1, dy = 1)
)
)
OpticalSolver (
TMM (
PropagationDirection = Perpendicular
LayerStackExtraction (
WindowName = "L1"
)
)
)
)
}时域有限差分法（FDTD）
时域有限差分（FDTD）求解器通过求解麦克斯韦方程提供严格的解。FDTD求解器在单独的工具Sentaurus Device电磁波求解器（EMW）中实现。
有关使用FDTD求解器的详细信息，请参阅Sentaurus™ Device电磁波求解器用户指南。
光束传播法（BPM）
光束传播法（BPM）可用于 finding光在光电探测器等器件中的传播和穿透。BPM求解器适用于二维和三维器件几何。
注意： 不要将BPM用于三维 CMOS图像传感器，因为BPM无法解析由三维透镜引起的偏振转换。
BPM物理模型
Sentaurus Device中实现的BPM基于快速傅里叶变换（FFT），是Feit和Fleck开发的FFT BPM变体。
标量亥姆霍兹方程的解为：
使用BPM
以下示例展示BPM的配置：
bash
Physics {
Optics (
OpticalGeneration (
QuantumYield (
Value = 1.0
)
)
OpticalSolver (
BPM (
GridNodes = (256, 256, 1600)
ReferenceRefractiveIndex = 2.2
Excitation (
Type = "Gaussian"
SigmaGauss = (2.0)
CenterGauss = (0.0)
)
)
)
Excitation (
Wavelength = 0.5
Intensity = 0.1
Theta = 0.0
)
)
}粗糙表面散射
为模拟粗糙界面散射引起的陷光效应，标准TMM方法得到了扩展。标量散射理论允许近似计算粗糙界面的散射光量。所谓的雾度参数定义了漫射（散射）光与总（漫射+镜面）光的比例。
散射求解器配置
以下参数用于配置散射求解器：
bash
Physics {
Optics (
OpticalSolver (
TMM (
Scattering (
AngularDiscretization = 90
MaxNumberOfIterations = 150
Tolerance = 1e-3
)
)
)
)
}从文件加载光学解
可以从文件加载光学问题的解，可以是吸收光子密度分布或光学产生分布。
文件格式
加载的轮廓必须满足以下要求之一：
•
轮廓必须保存在TDR文件中。
•
要导入高维网格的一维轮廓必须符合PLX文件格式。
bash
File {
OpticalSolverInput = "absorbed_photon_density.tdr"
}
Physics {
Optics (
OpticalGeneration (
ComputeFromMonochromaticSource ()
)
OpticalSolver (
FromFile (
DatasetName = AbsorbedPhotonDensity
)
)
)
}光学AC分析
光学AC分析计算光学信号频率的量子效率。该方法基于AC分析技术，提供量子效率的实部和虚部与频率的关系。
bash
ACCoupled ( StartFrequency=1.e4 EndFrequency=1.e9
NumberOfPoints=31 Decade Node(a c) Optical )
{ poisson electron hole }参考文献
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[9] F. Alauzet and M. Mehrenberger, "P1-conservative solution interpolation on unstructured triangular meshes," International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 84, no. 13, pp. 1552–1588, 2010.