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基于速率方程的垂直腔面发射激光器系统模拟

程俊强  俞重远  
【摘要】:垂直腔面发射激光器(VCSELs,Vertical-Cavity Surface—Emitting Lasers)的各种物理量都有相应的空间分布,其包含了空间位置的速率方程组模型比较适合于系统级别的仿真,对分析激光器的动态行为更有其优越性。现有的系统级模型为了改善计算效率,大多忽略了光场和载流子空间分布之间的相互影响等一些效应,但空间烧孔等效应对于激光器的模式竞争、波导耦合效率等都有较为明显的影响,因而是不能忽略的。本文建立了一个适合于系统级模拟的VCSEL二维模型,研究如增益竞争及其导致的多模行为等影响整个系统性能的一些效应;同时模型数值求解过程中要求进行空问的离散化,因此采用了基于VCSELs的物理和结构特性的模型变换,以消除方程中的显式空间相关性,在模型变换的基础上得到了基于一系列常微分方程组的模型。考虑了光场和载流子的时域变化,采用改进的模型对影响VCSELs性能的效应,如光场和载流子的相互影响、空间烧孔效应、模式的竞争、调制特性等进行了模拟和分析,结果表明该模型十分适合于VCSELs系统级别的模拟;通过对模型的改进提出了一种适合基于VCSELs互联系统的模拟方法,大大降低了模拟所需要的计算强度,同时也保证了模型的准确性。

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