01 說明

VCSEL激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一種垂直于襯底面射出激光的激光器，可以在襯底上多個方向上排列多個激光器，形成并行光源或面陣光源，是光纖通信或光感測領域的主要光源之一。由于VCSEL腔長極短，需要腔內有源介質對激射模式提供較大的增益補償。本案例顯示了如何設置并仿真VCSEL激光有源區的增益。

02 模擬設置

左圖展示了一個2D VCSEL激光模擬。我們將增加有源區的增益（如圖顯示為紅色）。本案例的多層VCSEL所設計的共振波長為850nm，或353THz。

03 結果

首先，我們將研究無增益的系統。有源區定義為折射率3.49的簡單電介質，在其附近添加平面波光源對系統進行激勵。

首先，從時間監視器“Monitor1”中查看有源層中Ez與時間的關系譜線。由于光從結構的頂部和底部泄漏，可以看到Ez緩慢衰變。我們選擇在1000fs時終止模擬，原因是使用增益運行模擬時衰減會變得很明顯。時域信號的傅里葉變換表明，該結構確實如預期那樣在大約350THz處具有共振。

我們還可以使用2D功率監視器查看場分布。當在模擬中使用場分布或功率監視器時，如果場沒有衰減到零，則使用apodization功能非常重要。有關apodization的更多信息，請參閱描述頻域監視器的頻譜平均和apodization選項卡頁面上的參考指南。

然后，我們可以在有源層材料中添加增益并重新運行模擬。我們使用材料“active_gain”，這是一種具有負洛倫茲介電常數的洛倫茲型材料；這種材料可在“gain_VCSEL.fsp”中獲取。有源層的折射率獲得一個可以產生增益的較小負虛部分量。

我們再次觀察時域信號，現在的情況非常不同，電場隨時間呈指數增長。FDTD不支持材料飽和狀態模型，因此電場將繼續呈指數增長。必須在電場值出現發散之前終止模擬。我們選擇在1000fs時終止模擬。再次地，傅里葉變換在350THz時呈現一個強共振。場輪廓看起來也很相似，盡管場強度比未加增益時大很多。最后，我們可以使用腳本gain_VCSEL_trans.lsf在同一幅圖上繪制從激光器頂面發射的功率和有源區增益曲線。可以看出，盡管這種材料具有寬帶增益，我們也只能看到在共振頻率處的強放大。

審核編輯：湯梓紅