垂直腔面發射激光器（VCSEL）是一種二極管激光器，其發射的近高斯光束垂直于芯片頂面。與傳統的邊緣發射激光器（光發射于芯片的一兩個邊緣）相比，VCSEL在制造和性能方面具有諸多優勢。

在本例中，我們將介紹如何構建VCSEL結構，并模擬和分析反射率、模式和頻率。本例在Ansys Lumerical Multiphysics軟件（2025 R1.1及更高版本）上運行，并且需要Ansys Lumerical Enterprise許可證。

概述

步驟1：自動構建結構并從層表(.csv)設置模擬對象

.csv文件中的數據可用于自動設置所有VCSEL層，包括DBR鏡和MQW層。但是，接觸層和孔徑氧化層需要使用腳本或圖形用戶界面單獨添加。

步驟2：冷腔模擬

啟用“計算冷腔光譜”選項后，可以模擬VCSEL的光學特性。首先，可以模擬腔體反射率，以快速估算腔體諧振頻率。此外，通過腔體本征模模擬，可以計算支持的模式形狀和頻率。此外，還可以進行腔體偶極子模擬，以確定不同有源層光源極化條件下支持的頻率和光束輪廓。

運行和結果

步驟1：自動構建結構并從層表(.csv)設置模擬對象

1.打開一個新的VCSEL項目并將工作目錄設置為包含所有示例文件的文件夾。

2.打開并運行main.lsf腳本文件，仿真文件將被創建。VCSEL和CHARGE求解器以及仿真區域均已添加。

3.打開并運行set_additional_structure.lsf。該腳本將添加頂部接觸和孔徑氧化物。

注意：VCSEL結構數據文件必須保存為csv格式。

該腳本將自動設置幾何形狀，并根據材料的成分添加光學屬性。使用III-V族半導體光學材料數據工具-Ansys Optics添加光學屬性（更多詳情請參考文末相關鏈接）。

此外，還添加了兩個模擬區域，一個用于光學模擬，一個用于電荷傳輸模擬。光學模擬區域的邊界自動設置為PML（除了對應于圓柱對稱軸的邊界）。

用戶可以為VCSEL和CHARGE仿真添加額外的對象，例如襯底、觸點、CHARGE電邊界條件和監視器。此外，還可以檢查和調整材料的電學和光學屬性。最后，還可以調整VCSEL和CHARGE/MQW求解器選項。

步驟2：冷腔模擬

本征模模擬和反射率分析

1.打開vcsel_T_shape_optical_reference.ldev模擬文件并使用“with source”選項運行它，該選項可以在VCSEL求解器的“光學/模態分析”選項卡下找到。

2.運行plot_eigenmode_results.lsf來可視化反射率分析、特征模場分布和頻率。

繪制了反射和透射光譜，確定了腔體諧振點，其對應波長為982nm。

注意：在運行模擬之前，可以通過單擊 VCSEL 求解器選項卡上的分區按鈕來可視化反射率分析結果。

由于在VCSEL求解器“General”選項卡中的“reflectivity structure group”選項中選擇了“All”，因此上述反射率結果對應于整個VCSEL腔體。通過在“reflectivity structure group”選項中選擇適當的組，也可以對結構的子組進行分析。此外，在VCSEL求解器“Reflectivity”選項卡中，可以設置波長范圍、波長數量和入射角。

繪制了每種模式的頻率與模式數和傅里葉指數的關系圖。如下所示，對于傅里葉指數1，在指定頻率附近僅發現了四種模式。

模式1和傅里葉指數1的電場和磁場分量如下所示。該模式主要為TE模式，但由于其Ez分量較大，因此并非完全為TE模式。

注意：由于VCSEL設計工具采用圓柱對稱性，雖然結果查看器中顯示的是笛卡爾坐標軸名稱，但結果實際上是圓柱坐標系的。有關笛卡爾坐標和圓柱坐標系之間映射的更多詳細信息，請訪問文末“VCSEL坐標映射-Ansys Optics”。

偶極子模擬

3.切換到布局，在VCSEL求解器的光學/模態分析選項卡下啟用“with source”選項，將“sweep type”更改為“linspace”，然后使用下面顯示的設置運行模擬。

4.運行plot_dipole_results.lsf來可視化頻率和光束輪廓。

對于傅里葉指數1，功率與模式數的關系如下：

繪制了每個傅里葉指數的功率與波長的關系圖。

模式數為24、傅里葉指數為1的電場和磁場分量對應于兩個功率峰值之一（另一個峰值對應于模式6），如下所示。

從光場監視器中可視化模式數為24、傅里葉指數為1的坡印廷矢量的z分量。坡印廷矢量的峰值大約位于半徑0um處，這與上圖中模式數為24、傅里葉指數為1時腔內場分布中最大強度的位置一致。

5.切換到布局并在光學/模態分析選項卡下使用下面顯示的設置并重新運行模擬。

6.運行plot_dipole_results.lsf來可視化頻率和光束輪廓。

對于傅里葉指數0，功率與模式數的關系如下：

還繪制了每個傅里葉指數的功率與波長的關系圖。

模式數為17、傅里葉指數為0時，對應功率峰值的電場和磁場分量如下所示。

從光場監視器中可視化模式數為17、傅里葉指數為0的坡印廷矢量的z分量。坡印廷矢量的峰值大約位于半徑1um處，這與上圖中模式數為17、傅里葉指數為0時腔內場分布中最大強度的位置一致。

重要模型設置

冷腔模擬：要運行冷腔模擬，必須啟用VCSEL求解器“General”選項卡中的“calculate cold cavity spectrum”選項。

反射率分析：為了計算整個VCSEL結構的反射率光譜，必須在VCSEL求解器“General”選項卡中的“reflectivity structure group”選項中選擇“All”。如果對某個子組的反射率感興趣，則必須在“reflectivity structure group”選項中選擇該子組。反射率分析的波長范圍以及入射角可以在VCSEL求解器“Reflectivity”選項卡中設置。反射率分析結果可以在分區后或運行模擬后進行可視化。

圓柱軸：由于VCSEL求解器支持圓柱對稱的VCSEL，因此在VCSEL求解器“Optical”選項卡下的“General”選項卡中正確設置圓柱對稱軸非常重要。模擬區域也必須正確設置，以使對稱軸與VCSEL軸相對應。

波長/頻率：執行本征模分析時，“Optical”選項卡下的“Model Analysis”選項卡要求輸入單個波長/頻率值，以及計算中需要考慮的、圍繞所選值的特征模數量。用于本征模計算的波長/頻率應設置為接近VCSEL的預期工作波長。使用偶極子源運行仿真時，“Model Analysis”選項卡中的輸入對應于偶極子源的波長/頻率范圍。

傅里葉分量的數量：雖然使用2-3個傅里葉分量通常就足夠了，但用戶可以設置更多的傅里葉分量來檢查腔體模式和不同偶極子位置和方向的腔體響應。

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