量子级联激光器(QCL)是一种通过电子在导带量子阱中子能级之间跃迁发光的半导体激光器。它的出现打破了波长由禁带宽度限制的禁锢,弥补了传统半导体激光器在中远红外波段的不足,并且以其优良的性能和重要的应用价值在其出现之后的短短十几年内就得到迅速发展。QCL性能的不断提高,得益于其结构的不断优化,而半导体工艺和器件的数值模拟(TCAD)在此过程中发挥着至关重要的作用。通过对半导体工艺和器件的数值模拟我们不仅可以在实验之前对器件性能做出预测,还能获取许多实验无法观测到的数据,并对实验过程中的问题予以分析。可靠的TCAD工具离不开准确的物理模型,准确的物理模型来自于对器件内部各种物理过程的深入研究。作为一种复杂的量子器件,QCL的仿真方法多种多样,从速率方程模型,蒙特卡洛仿真到非平衡格林函数。本论文的研究建立在与Crosslight公司合作的基础之上,借助该公司提供的半导体激光器仿真软件(LASTIP)中的基本模型框架,通过对原有模型的改进,获得了一套用于计算QCL光学特性和电学特性的综合仿真模型。目前该模型已被植入Crosslight的2D仿真软件LASTIP以及3D仿真软件PICS3D中。基于一系列微观和宏观的电学和光学模型,本论文提出了一个用于计算QCL电学特性和光学特性的综合仿真模型。在微观方面,利用量子计算得到了量子阱中的电子能级以及电子波函数分布,并通过求解速率方程得到了一定条件下子能级上的电子分布和有源区的光增益：在宏观方面,利用非局域化的载流子输运模型对量子隧穿、微带隧穿以及热载流子输运等载流子输运过程进行了等效,并利用载流子非局域化输运模型对传统的扩散-漂移方程(D-D方程)进行了矫正。通过对标量波动方程的求解,得到激光器腔中多个横向光学模式的分布。通过改进的D-D模型和多个横向光学模式的光子速率方程的自洽求解,便可计算得到QCL的光学特性和电学特性。本论文分两部分对上述综合仿真模型进行了验证。首先通过对两组基于InGaAlAs/InP材料体系的中红外QCL的计算,验证了载流子非局域化输运模型的准确性,并对仿真软件中原有的载流子输运模型进行了改进。同时,我们通过大量的仿真计算对载流子非局域化输运模型进行了进一步研究。接着通过对一个经典的三量子阱激射区量子级联激光器的计算对QCL的光增益模型进行了验证,并在此过程中展示了一个完整的QCL仿真流程。最后,通过对两组不同结构的QCL的二维仿真,得到了量子级联激光器的电子浓度分布和横向光学模式分布等二维仿真计算结果。