激光器調(diào)制仿真的案例
OptiSystem應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
當(dāng)將直接調(diào)制的激光器用于高速傳輸系統(tǒng)時(shí)，調(diào)制頻率可以不大于弛豫振蕩的頻率。弛豫振蕩取決于載流子壽命和光子壽命。這種依賴關(guān)系的近似表達(dá)式如下所示：
對于激光速率方程模型的默認(rèn)參數(shù)Ith=33.45mA,τsp = 1ns, τph =3ps，假設(shè)調(diào)制峰值電流I=40mA， IB=40mA，則根據(jù)上述方程對應(yīng)的弛豫振蕩頻率約為1.3 GHz，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
如果將圖5與圖4（比特率為1.3 Gb/s，IB=40mA）進(jìn)行比較，可以清楚地表明，偏置電流降低到閾值以下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
展開 當(dāng)將直接調(diào)制的激光器用于高速傳輸系統(tǒng)時(shí)，調(diào)制頻率可以不大于弛豫振蕩的頻率。弛豫振蕩取決于載流子壽命和光子壽命。這種依賴關(guān)系的近似表達(dá)式如下所示：
弛豫振蕩頻率隨激光偏置電流的增加而增加。
在本次案例中，我們通過改變調(diào)制頻率和激光偏置電流來展示高速半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的特性。系統(tǒng)布局如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)布局
全局參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)值參數(shù)的討論:比特率為1.3 Gb/s，序列長度為128位，因此，時(shí)間窗約為98.5 ns。每比特采樣數(shù)為512，因此采樣率為670GHz。如圖2：
圖2全局參數(shù)設(shè)置
對于激光速率方程模型的默認(rèn)參數(shù)Ith=33.45mA,τsp = 1ns, τph =3ps，假設(shè)調(diào)制峰值電流I=40mA， IB=40mA，則根據(jù)上述方程對應(yīng)的弛豫振蕩頻率約為1.3 GHz，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：
圖3半導(dǎo)體激光器設(shè)置
在圖4和圖5中，將展示高于弛豫振蕩頻率的調(diào)制頻率增加對系統(tǒng)性能的影響。在圖4中，研究了比特率1.3 Gb/s和10Gb/s傳輸下系統(tǒng)的眼圖。激光速率方程的參數(shù)是如前所述的默認(rèn)參數(shù)（I=IB=40mA）。
a）比特率為1.3Gb/s
b）比特率為10Gb/s
圖4增加系統(tǒng)調(diào)制頻率大于弛豫振蕩頻率
顯然，頻率遠(yuǎn)高于弛豫振蕩頻率的調(diào)制會(huì)導(dǎo)致不可接受的系統(tǒng)性能。
在圖5中，將展示固定比特率下偏置電流對弛豫振蕩頻率的影響，以及對整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。我們使用1.3 Gb/s傳輸，保持所有其他參數(shù)不變，并使用IB=20mA。
圖5減少偏置電流
如果將圖5與圖4（比特率為1.3 Gb/s，IB=40mA）進(jìn)行比較，可以清楚地表明，偏置電流降低到閾值以下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
展開 OptiSystem應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
[Optiwave] OptiSystem應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器調(diào)制
在本次案例中，我們展示了高速半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的性能與調(diào)制頻率和激光偏置電流的關(guān)系。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—放大器的動(dòng)態(tài)仿真
該模型采用RP Fiber Power 軟件對一定輸入功率下光纖放大器的動(dòng)態(tài)仿真。
采用摻釔光纖放大器的簡單模型。對于光纖的起始點(diǎn),設(shè)定具有一定泵浦與信號功率的穩(wěn)定狀態(tài)。然后設(shè)定超高斯型的信號脈沖,占有絕大部分能量。由于在放大期間,增益突然急劇下降,輸出脈沖的形狀本身存在畸變。
Ansys Lumerical | 對鐵電波導(dǎo)調(diào)制器進(jìn)行仿真應(yīng)用
說明
在本例中，我們仿真了使用BaTiO2的鐵電波導(dǎo)調(diào)制器，BaTiO2是一種折射率因外加電場而發(fā)生變化的材料。該器件的結(jié)構(gòu)基于文獻(xiàn)[1]。我們模擬并分析了給定工作頻率下波導(dǎo)調(diào)制器的有效折射率與電壓的關(guān)系。
背景
鐵電波導(dǎo)由硅層和玻璃襯底上的BiTiO3（也稱為BTO）層組成。BiTiO3晶體的取向?yàn)榫w的[011]方向平行于光傳播方向（y方向），[001]方向沿著z方向。BiTiO3層的頂部的非晶硅可以形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以限制橫向（x方向）的光分布。金電極觸點(diǎn)被放置在離非晶硅脊波導(dǎo)兩側(cè)1μm遠(yuǎn)的地方。
在本案例中，我們首先使用CHARGE求解器模擬不同偏置電壓下，波導(dǎo)橫截面上的電場分布。然后，我們根據(jù)對應(yīng)的電場分布變化來計(jì)算BiTiO3材料折射率的變化，并模擬分析出不同偏置電壓下波導(dǎo)的有效折射率。
步驟一：用CHARGE模擬電場分布
在建立好模型后，我們將陰極觸點(diǎn)設(shè)置為定值0 V，陽極觸點(diǎn)設(shè)置為掃描模式，掃描范圍為1-5 V，掃描點(diǎn)間隔為0.5 V。
設(shè)置完成后，運(yùn)行仿真程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)行模式，掃描結(jié)果將由電場監(jiān)視器記錄并將數(shù)據(jù)保存在WG_Efield.mat文件中。
步驟二：使用MODE分析有效折射率
為了計(jì)算不同電壓下鐵電波導(dǎo)的有效折射率，我們需要使用MODE模塊中的FDE求解器。FDE求解器可以分析出各類波導(dǎo)橫截面上的導(dǎo)模和導(dǎo)模對應(yīng)的各類光學(xué)參數(shù)，因此在本步驟中，我們可以使用FDE求解器分析出鐵電波導(dǎo)橫截面有效折射率與偏置電壓的關(guān)系圖。首先，我們將上一步中得到的包含不同偏置電壓下電場分布的WG_Efield.mat文件，通過預(yù)留的接口導(dǎo)入到FDE求解器中，如下圖所示。
展開 空間光調(diào)制器像素處光衍射的仿真
空間光調(diào)制器(SLM.0002 v1.1)
應(yīng)用示例簡述
1. 系統(tǒng)細(xì)節(jié)
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調(diào)制器組件及后續(xù)的2f系統(tǒng)
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設(shè)計(jì)
— 場追跡：
? 一個(gè)SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應(yīng)。
2. 系統(tǒng)說明
3. 模擬 & 設(shè)計(jì)結(jié)果
4. 總結(jié)
考慮SLM像素間隔來研究空間光調(diào)制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個(gè)先前設(shè)計(jì)的用于光束整形的SLM透射函數(shù)。
第2步
分析不同區(qū)域填充因子的對性能的影響。
產(chǎn)生的衍射效應(yīng)對SLM的光學(xué)功能以及效率具有重大影響。
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
系統(tǒng)參數(shù)
1. 該應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容
2. 設(shè)計(jì)&仿真任務(wù)
由于制造和技術(shù)的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng)，從而影響SLM的光學(xué)性能，并在接下來的工作中對其進(jìn)行研究。
3. 參數(shù)：輸入近乎平行的激光束
4. 參數(shù)：SLM像素陣列
5. 參數(shù)：SLM像素陣列
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
仿真&結(jié)果
1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM
? 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實(shí)現(xiàn)反射系統(tǒng)(如反射鏡，2f系統(tǒng)等)。
? 內(nèi)置的SLM模式可以實(shí)現(xiàn)從簡單透射函數(shù)到包含像素和間隔的陣列的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
2.
展開 Ansys Lumerical | 行波 Mach-Zehnder 調(diào)制器仿真分析
用連續(xù)波激光(CW Laser)當(dāng)光源，控制行波電極的電信號則為一個(gè)時(shí)間脈沖發(fā)生器，包含偽隨機(jī)二元序列(Pseudo-Random Binary Sequence ,PRBS) 訊號搭配不歸零 （Non-return to zero,NRZ） 脈沖發(fā)生器。PRBS信號的比特率設(shè)置為20 Gbits/s，NRZ脈沖發(fā)生器調(diào)制幅度為1 V，參考偏差為-0.5 V（信號范圍在-0.5和0.5 V之間）， 激光源功率為10 mW，激光源波長為1552.5nm。
激光功率和波長的選擇是相對任意的，在這種情況下，我們選擇的值在眼圖中給出可接受的信噪比，眼圖交叉接近50%來運(yùn)行仿真。選擇眼圖物件并從結(jié)果視圖窗口可視化眼圖。從同樣的角度來看，眼圖中的消光比為 4.25 dB。
最后以Interconnect中的電網(wǎng)絡(luò)分析器(Electrical Network Analyzer ,ENA)對行波電極進(jìn)行帶寬分析。在設(shè)定30GHz的頻率范圍下，結(jié)果如下圖，3db的帶寬約對應(yīng)15GHz。
展開 Lumerical系列模塊聯(lián)合仿真中紅外硅基電光調(diào)制器
電光調(diào)制器，一種通過外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號與光信號轉(zhuǎn)換過程。現(xiàn)實(shí)當(dāng)中電光調(diào)制器種類繁多，諸如鈮酸鋰基的電光調(diào)制器、硅基的電光調(diào)制器、基于等離子共振色散的電光調(diào)制器等等。然而，這些調(diào)制器原理不一樣，這造就了分析調(diào)制器的原理和方法不能放之四海而皆準(zhǔn)，必然是針對具體問題要采用特定的方法和技巧。考慮到硅基電光調(diào)制器的成熟工藝，下文將展現(xiàn)仿真硅基電光調(diào)制的整個(gè)流程。后面若有機(jī)會(huì)再分享鈮酸鋰基電光調(diào)制器和基于等離子共振色散的電光調(diào)制器。
在這里，硅基調(diào)制器的幾何結(jié)構(gòu)以發(fā)表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數(shù)如下圖所示：
其中，不同區(qū)域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅(qū)動(dòng)下硅材料的復(fù)數(shù)折射率的變化。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件一腳本語言20 動(dòng)態(tài)仿真
20 動(dòng)態(tài)仿真
RP Fiber Power可以模擬有源光纖系統(tǒng)的時(shí)間演化。前面討論了一些基本問題和兩種不同的數(shù)值模型。下面介紹了如何用RP Fiber Power實(shí)現(xiàn)這些模型：
一、首先，我們需要確定光纖的初始狀態(tài)，即仿真開始時(shí)的電子激發(fā)。為此，我們通常首先用通常的方法計(jì)算穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)。例如，考慮一個(gè)具有連續(xù)泵浦和低重復(fù)率的強(qiáng)信號脈沖放大的光纖放大器。在這種情況下，模擬一定泵浦功率但信號功率為零的穩(wěn)態(tài)情況。這同樣適用于調(diào)Q激光器：初始狀態(tài)可以作為無激光泵浦的穩(wěn)態(tài)。
當(dāng)然，您也可以在另一個(gè)動(dòng)態(tài)仿真之后進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從該仿真的最終狀態(tài)開始。
二、接下來，我們必須定義與時(shí)間相關(guān)的輸入功率。對于具有時(shí)間依賴性輸入的每個(gè)光信道，進(jìn)行一個(gè)函數(shù)調(diào)用，如set_P_in_dyn(signal, 'P_s_in(t)')。這將為某些光信道的時(shí)間相關(guān)輸入功率分配一個(gè)表達(dá)式（此處為函數(shù)）。也可以直接輸入一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的項(xiàng)；例如：set_P_in_dyn(ch, 'exp(-(t / 5e-9)^2)')。（稍后可以使用空字符串的調(diào)用來抑制對未來仿真的時(shí)間依賴性，并將輸入功率設(shè)置為0。）
三、 如果光纖端面的反射率也與時(shí)間有關(guān)（如調(diào)Q激光器中的情況），則可通過諸如set_R_dyn(signal, 'R1(t)','R2(t)')等函數(shù)調(diào)用來定義。這將為光纖兩端的時(shí)間相關(guān)反射率分配兩個(gè)先前定義的函數(shù)。
四、 諧振腔內(nèi)的時(shí)間依賴性局部損耗（光纖的左側(cè)和右側(cè)）可通過set_loss_int_dyn(signal, 'l1(t) ', 'l2(t) ')來定義。這將為這些損耗分配兩個(gè)時(shí)間相關(guān)函數(shù)（值介于0和1之間）。例如，該函數(shù)可用于模擬有源Q開關(guān)。
展開 optiSLang助力優(yōu)化微環(huán)調(diào)制器與 Lumerical 仿真自動(dòng)化
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光纖激光器設(shè)計(jì)軟件 | RP Fiber Power 仿真環(huán)形腔光纖激光器模型
今天講講在 RP Fiber Power 里面仿真環(huán)形腔光纖激光器。首先，RP Fiber Power 里面有單位的定義和光譜數(shù)據(jù)的集合文件（根據(jù)需求也可以自定義），我們可以直接調(diào)用；然后，定義光纖的結(jié)構(gòu)，信道等基本參數(shù)和模型的搭建；最后，使用自帶的函數(shù)和命令，顯示想要輸出的數(shù)值結(jié)果和圖形輸出。下圖顯示了環(huán)形腔摻Y(jié)b光纖激光器的模擬結(jié)果。
（1）光纖中不同位置處的功率分布情況
（2）輸出功率隨輸入功率變化情況
（3）不同光纖長度下的功率分布情況
（4）徑向函數(shù)圖
點(diǎn)擊查看軟件介紹：
RP 系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件
Ansys Lumerical | 行波馬赫曾德爾調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化
說明
本案例將Lumerical和HFSS在行波MZM調(diào)制器建模中的功能與optiSLang相結(jié)合，提供了強(qiáng)大的優(yōu)化能力以尋找最佳性能設(shè)計(jì)。
下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
綜述
本案例建立在已有的硅波導(dǎo)建模實(shí)例（Ansys Lumerical 行波 Mach-Zehnder 調(diào)制器仿真分析）的基礎(chǔ)上，該示例由反向偏置 pn 結(jié)進(jìn)行相位調(diào)制，由 Al 共面?zhèn)鬏斁€驅(qū)動(dòng)。該示例的演示目標(biāo)是找到具有最佳品質(zhì)因數(shù)的設(shè)計(jì)，相移、損耗和速度失配等結(jié)果與所選輸入，摻雜和電極形狀等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。分立的器件電學(xué)、光學(xué)以及RF模型都將被導(dǎo)入到optiSLang當(dāng)中，并在optiSLang建立元模型，對大量輸入進(jìn)行優(yōu)化以找到最佳設(shè)計(jì)。此外，還可以將INTERCONNECT添加到optiSLang中計(jì)算誤碼率。
步驟1：運(yùn)行多物理仿真獲得初始結(jié)果
使用 Charge 仿真得到調(diào)制區(qū)在不同偏壓 (-0.4V~4V) 的載流子分布，并導(dǎo)出 monitor_charge 的結(jié)果。
展開 VirtualLab運(yùn)用：仿真一個(gè)空間光調(diào)制器像素點(diǎn)處光的衍射
光束整形＞衍射光學(xué)
任務(wù)/系統(tǒng)說明
亮點(diǎn)
?使用空間光調(diào)制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結(jié)果：3D系統(tǒng)視圖
結(jié)果：SLM近場區(qū)域
結(jié)果：SLM的遠(yuǎn)場區(qū)域
結(jié)果：SLM遠(yuǎn)場區(qū)域
文件&技術(shù)信息
報(bào)名 | “聚焦激光”——采用Ansys Lumerical進(jìn)行邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器仿真
在本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)中，將展示如何使用Ansys Lumerical的INTERCONNECT工具中行波激光模型（TWLM）來仿真Fabry-Perot、DFB、DBR等邊射型激光器以及半導(dǎo)體光放大器 （SOA），還會(huì)說明增益、電荷傳輸、光傳播等參數(shù)如何使用物理仿真來模擬，并將之導(dǎo)入光路上的緊湊模型來描述整個(gè)激光器件。研討會(huì)將重點(diǎn)介紹Ansys Lumerical仿真激光用的TWLM以及MQW工具，并示范如何使用Ansys Lumerical的FDE/MODE與MQW來計(jì)算光的傳播與增益特性，介紹如何將物理仿真或?qū)嶒?yàn)量測的結(jié)果導(dǎo)入TWLM來表征包含量子井增益的波導(dǎo)，并進(jìn)行增益與激光器設(shè)計(jì)。無論您是從事電路集成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還是從事分立元件的激光器設(shè)計(jì)人員，本次研討會(huì)都將幫助您學(xué)習(xí)如何進(jìn)行激光器的設(shè)計(jì)。歡迎報(bào)名！
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