PICS3D软件

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  PICS3D是一款用于模拟边发射型及面发射型激光二极管、半导体光放大器和其他类似的有源波导器件的 3D 仿真软件，2D 和3D 半导体方程式(例如：飘移扩散、泊松方程……等等)与各光学模型在侧向及纵向上配对，光学特性如：量子阱、量子线及量子点的光学增益和自射率均被最适化计算。
  PICS3D 软件是 LASTIP 软件在第三维方向上的延展，目的在于一方面能够帮助器件设计者优化现有的器件结构，另一方面也能对新的设计思想进行原型验证。PICS3D 软件的重要性在于，3D 方向上的扩展对很多特定的激光器件的仿真至关重要。

Fig1. PICS3D GUI and Script Diagram

Fig2. SimuCenter

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1. 物理方程

  PICS3D软件求解的基本物理方程为以下3D物理方程：

• 泊松方程
• 电子流和空穴流连续性方程
• 复杂二维波方程
• 光子速率方程
• 热流方程
• ……

2. 物理模型

  PICS3D软件中包含了广泛的应用于半导体激光器仿真的物理模型：

• 包含应力效应的量子阱k.p能带理论
• 量子阱自洽计算模型
• 纤维锌矿(wurtzite)材料的极化和部分极化理论
• 非线性增益抑制模型
• 复合(recombination)模型(SRH,Auger等)
• 量子隧穿和量子输运，包括高级的miniband,TypeIIl能带等
• 热传输模型
• 价带混合效应(valence mixing effects)
• 成熟的增益展宽函数
• 深能级缺陷和缺陷动力学
• 表面态和表面效应
• Poole-Frenkel绝缘体导电模型
• 载流子之间和载流子-光子散射
• 77K低温仿真模型
• 光的多模式分析
• 具有电场依赖性的迁移率模型
• 完全耦合的牛顿方法
• 大量的材料模型
• 依赖于温度的材料参数模型
• 灵活的材料参数定义方式
• 诸多光模式纵向模型(longitudinal modeling)
• 完善的VCSEL理论模型
• 模式谱和调制响应
• ……

3. 器件应用

  PICS3D 软件被广泛运用于各类有源和无源波导半导体器件中，主要包含：

• 各类FP、DFB和DBR半导体激光器
• 垂直腔表面发射激光器（VCSELs）
• 可调谐激光器
• 集成调制器
• 半导体光放大器(SOA)
• 超辐射发光而激光(Superluminescentdiodes:SLED)
• 波导光探测器
• 光子集成器件（EML）
• 光泵浦半导体激光器
• 外腔半导体激光器
• 环状半导体激光器
• 增益耦合光栅
• 高阶光栅
• 具有纵向空穴烧孔(holeburning)效应的高功率泵浦激光器
• ……

4. 数据输出功能

4.1 和位置相关的线性分布

  能够处理的变量（纵坐标）有：

• 吸收率
• 受主杂质浓度
• 施主杂质浓度
• 总掺杂浓度
• 温度
• 能带
• 电子浓度
• 空穴浓度
• 导带
• 价带
• 位移电流(总电流，×yz分量)
• 电子电流(总电流，xyz分量)
• 电子能量
• 电子准费米能级
• 电子迁移率
• 激子密度(单激子，偶极子，三激子)
• 电场(总值，x y分量)
• 热流(总值，x y z分量)
• 空穴电流(总电流，× y z 分量)
• 空穴准费米能级
• 空穴迁移率
• 碰撞离化参数
• 入射光强
• 折射率
• 带间泵浦
• 增益
• 磁场磁势
• 固定电荷
• 陷阱密度
• 陷阱能级
• 被俘获电子浓度
• 光增益
• 各种热源(焦耳，汤姆森，帕尔贴，复合，辐射等)
• 压电应力
• 电势
• 量子点中的电子空穴浓度
• 参与复合的电子空穴浓度
• 各种复合率(俄歇，热，辐射，SRH，受激)
• 子能带上电子空穴浓度
• 空间电荷
• 应力分量
• 电流(总值，x y z分量)
• 隧穿增强系数

4.2 和 bias 相关的变量关系图

  能够处理的变量（横坐标或者纵坐标）有：

• 光强
• 电极电流
• 电极上的位移电流
• 有效折射率
• 激光发射功率效率
• 电极上的电子或者空穴电流
• 入射光总功率
• 探测器外量子效率(PD efficiency)
• 探测器响应率(PD responsivity)
• 峰值波长增益
• 激光功率（总值以及前后面）
• 空间电荷
• 温度最大值
• 时间
• 热源发热值(总值，焦耳，汤姆森，帕尔贴，复合，辐射等)
• 隧穿增强系数
• 电极电压
• 激光发射波长
• 光泵浦的入射光波长

4.3 二维空间分布图

  能够处理的变量（纵坐标）有：

• 吸收率
• 受主杂质浓度
• 施主杂质浓度
• 总掺杂浓度
• 温度
• 能带
• 电子浓度
• 空穴浓度
• 导带
• 价带
• 位移电流(总电流，x y z 分量）
• 电子电流（总电流，x y z 分量）
• 电子能量
• 电子准费米能级
• 电子迁移率
• 激子密度（单激子，偶极子，三激子)
• 电场（总值，x y 分量）
• 热流（总值，x y z 分量）
• 空穴电流（总电流，x y z 分量） 空穴准费米能级
• 空穴迁移率
• 碰撞离化参数
• 入射光强
• 折射率
• 带间泵浦
• 增益
• 磁场磁势
• 固定电荷
• 陷阱密度
• 陷阱能级
• 被俘获电子浓度
• 光增益
• 各种热源（焦耳，汤姆森，帕尔贴，复合，辐射等）
• 压电应力
• 电势
• 量子点中的电子空穴浓度
• 参与复合的电子空穴浓度
• 各种复合率（俄歇，热，辐射，SRH，受激）
• 子能带上电子空穴浓度
• 空间电荷
• 应力分量
• 电流（总值， x y z 分量）
• 隧穿增强系数

4.4 三维空间分布

  能够处理的变量（纵坐标）有：

• 吸收率
• 受主杂质浓度
• 施主杂质浓度
• 总掺杂浓度
• 温度
• 能带
• 电子浓度
• 空穴浓度
• 导带
• 价带
• 位移电流(总电流，x y z 分量）
• 电子电流（总电流，x y z 分量）
• 电子能量
• 电子准费米能级
• 电子迁移率
• 激子密度（单激子，偶极子，三激子)
• 电场（总值，x y 分量）
• 热流（总值，x y z 分量）
• 空穴电流（总电流，x y z 分量） 空穴准费米能级
• 空穴迁移率
• 碰撞离化参数
• 入射光强
• 折射率
• 带间泵浦
• 增益
• 磁场磁势
• 固定电荷
• 陷阱密度
• 陷阱能级
• 被俘获电子浓度
• 光增益
• 各种热源（焦耳，汤姆森，帕尔贴，复合，辐射等）
• 压电应力
• 电势
• 量子点中的电子空穴浓度
• 参与复合的电子空穴浓度
• 各种复合率（俄歇，热，辐射，SRH，受激）
• 子能带上电子空穴浓度
• 空间电荷
• 应力分量
• 电流（总值， x y z 分量）
• 隧穿增强系数