混合光栅DFB表面发射半导体激光器数值仿真

摘要

表面发射激光器在很多领域中有着非常广泛的应用,尤其是在要求低成本的应用领域,表面发射激光器因为不需要做发射面的表面钝化处理、输出功率可以在晶片水平缩放、测试和封装简单以及由此带来的成本降低使其比端面发射激光器有着更好的应用前景。
　　现有的商用表面发射激光器主要是垂直腔表面发射激光器即VCSEL(vertical-cavitysurface-emittinglaser),虽然VCSEL已经在数据通信等领域得到大量应用,但是其因为有短腔长这个天生的劣势,因此单个器件输出功率并不是很高。而利用2阶分布反馈式布拉格光栅作为输出耦合器的水平腔表面发射激光器即拥有上述表面发射器件的优点,又克服了VCSEL腔长较短的劣势,从而受到广泛的关注。
　　在本论文中对DFB(distributed-feedbackBragg)表面发射半导体激光器及其数值仿真方法进行介绍,并利用作者编写的时域行波法数值仿真程序对一种1阶、2阶混合光栅DFB表面发射半导体激光器进行了仿真研究。该激光器将普通DFB激光器的1阶光栅中间部分替换为2阶光栅,从而利用2阶光栅的1阶辐射模将输出功率垂直耦合出光腔。
　　本文主要论述了以下几点:
　　(1)介绍了本论文研究的混合光栅DFB表面发射半导体激光器的基本结构及其工作原理。
　　(2)介绍了用来对该激光器进行数值仿真的时域行波方法的理论基础和程序实现方法,包括光场控制方程、载流子速率方程、增益方程、伪随机数发生器以及快速傅立叶变换,并对程序的可靠性进行了验证。
　　(3)利用编写的数值仿真程序对混合光栅DFB表面发射半导体激光器进行了仿真计算,对其结果进行了总结和分析并给出了一组优化后的结构参数,使得其远场分布为单峰,边模抑制比大于30dB。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究状况

1.3 课题主要研究内容和预期成果

2 混合布拉格光栅表面发射半导体激光器

2.1 DFB半导体激光器简介

2.2 2阶DFB半导体激光器介绍

2.3 混合光栅表面发射半导体激光器结构及原理

2.4 本章小结

3 DFB半导体激光器数值模拟方法

3.1 半导体激光器数值模拟方法简介

3.2 光场控制方程介绍

3.3 载流子速率方程和增益部分介绍

3.4 本章小结

4 数值模拟程序的实现与定标

4.1 数值模拟程序介绍

4.2 光场控制方程和载流子速率方程的解法

4.3 正态分布伪随机数发生器

4.4 快速傅立叶变换

4.5 数值模拟程序定标

4.6 本章小结

5 数值模拟结果与分析

5.1 数值模拟参数设置

5.2 不同腔长的影响

5.3 引入λ/4相移光栅的影响

5.4 不同的1阶布拉格光栅耦合系数的影响

5.5 不同的注入电流的影响

5.6 不同的端面反射率的影响

5.7 大信号调制

5.8 本章小结

6 总结和展望

致谢

参考文献