使用Lumerical对VCSEL激光器进行增益仿真

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

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。

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。

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。最后，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。

审核编辑：汤梓红