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使用 Lumerical 对 VCSEL 激光器进行增益仿真

发布日期:
2023-06-19

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01说明


VCSEL激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)是一种垂直于衬底面射出激光的激光器,可以在衬底上多个方向上排列多个激光器,形成并行光源或面阵光源,是光纤通信或光感测领域的主要光源之一。由于VCSEL腔长极短,需要腔内有源介质对激射模式提供较大的增益补偿。本案例显示了如何设置并仿真VCSEL激光有源区的增益。



02 模拟设置


使用 Lumerical 对 VCSEL 激光器进行增益仿真

左图展示了一个2D VCSEL激光模拟。我们将增加有源区的增益(如图显示为红色)。本案例的多层VCSEL所设计的共振波长为850nm,或353THz。



03 结果


首先,我们将研究无增益的系统。有源区定义为折射率3.49的简单电介质,在其附近添加平面波光源对系统进行激励。


使用 Lumerical 对 VCSEL 激光器进行增益仿真


首先,从时间监视器“Monitor1”中查看有源层中Ez与时间的关系谱线。由于光从结构的顶部和底部泄漏,可以看到Ez缓慢衰变。我们选择在1000fs时终止模拟,原因是使用增益运行模拟时衰减会变得很明显。时域信号的傅里叶变换表明,该结构确实如预期那样在大约350THz处具有共振。


我们还可以使用2D功率监视器查看场分布。当在模拟中使用场分布或功率监视器时,如果场没有衰减到零,则使用apodization功能非常重要。有关apodization的更多信息,请参阅描述频域监视器的频谱平均和apodization选项卡页面上的参考指南。


然后,我们可以在有源层材料中添加增益并重新运行模拟。我们使用材料“active_gain”,这是一种具有负洛伦兹介电常数的洛伦兹型材料;这种材料可在“gain_VCSEL.fsp”中获取。有源层的折射率获得一个可以产生增益的较小负虚部分量。


使用 Lumerical 对 VCSEL 激光器进行增益仿真


我们再次观察时域信号,现在的情况非常不同,电场随时间呈指数增长。FDTD不支持材料饱和状态模型,因此电场将继续呈指数增长。必须在电场值出现发散之前终止模拟。我们选择在1000fs时终止模拟。再次地,傅里叶变换在350THz时呈现一个强共振。场轮廓看起来也很相似,尽管场强度比未加增益时大很多。然后,我们可以使用脚本gain_VCSEL_trans.lsf在同一幅图上绘制从激光器顶面发射的功率和有源区增益曲线。可以看出,尽管这种材料具有宽带增益,我们也只能看到在共振频率处的强放大。


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