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| 23I-T37 VCSEL 仿真.pdf |
VCSEL仿真 |
2023-07-12 15:52:06 2023-07-12 15:52:06 |
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VCSEL仿真
2023.07.12前言
超高亮度的人造光源，将是下个世代(元宇宙)的发展关键，而VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；垂直共振腔雷射)被视为关键解答，本文将说明如何使用Ansys Lumerical完成VCSEL的设计。
超高亮度的人造光源，将是下个世代(元宇宙)的发展关键，而VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；垂直共振腔雷射)被视为关键解答，本文将说明如何使用Ansys Lumerical完成VCSEL的设计。
人造光源的亮度与文明发展息息相关。例如中古世纪的人们，发现明亮又稳定的鲸蜡，于是人们的夜间生活得以被点亮；鲸蜡主宰夜晚两百年后，爱迪生发明灯泡，进一步将人类带往工业革命；近代则受惠于LED革命，光源不再局限于照明用途，智能型手机、光通讯等光学应用，将我们带往互联网时代；而在下个世代中(AR/VR元宇宙穿戴装置)，LED的亮度与体积已不敷使用，因此「超高亮度、超轻薄体积」将是下个关键。VCSEL在众多光源中，就有着这样的潜力(如下表1、2)。
表1，各式光源比较表
表2，VCSEL与EEL特性比较
图１，VCSEL的结构示意图
图2，EEL的结构示意图
VCSEL仿真难点
本文中，将参考公开的专利文献(中华电信、海特根微光学、交通大学、鸿海精密)作为参考范例，并依照仿真顺序，以三个重点作为讨论
<1> DBR复杂建模：高达百层的奈米结构，应如何建模?
<2> 发光层转换与近似：如何创造与实务类似的仿真光源?
<3> 子晶体与微透镜：如何建模与克服硬件限制?
<1> DBR复杂建模
参考图1、3，以较单纯的Single junction为例，VCSEL的基本机制是，利用P型DBR(Distributed Bragg Reflector)、N型DBR作为反射镜，并在其中放置MQW层，藉此形成共振腔。
而在DBR的设计上，会遇到几个问题：(1)在横轴方向上，较宽的横向尺寸(lateral dimension)虽然有较低的阻抗，但也允许了更多模态，多模态将限制雷射在光纤中的传播速度；而较窄的横向尺寸虽然更容易达到单模态，但因为阻抗的提升使得VCSEL热效应增加，进而提高了起振电流(thresh current)、并降低雷射的输出功率。(2)在纵轴方向上，为了更纯粹的输出波长与远场发散角(Far Filed Angle)，DBR的设计一般不仅有单一周期，而是分成多个不同周期的子群组，而这些子群组总计的膜层往往超过百层。
由上述可以看出，DBR的设计上不但复杂，且必须频繁地修改与比较仿真结果的差异。庆幸的是，这些百层迭构一般能找出数学规律性，如图4~5，将数学规律并加以公式化后，就可利用Ansys Lumerical内建的对象组工具(图2)，快速地完成复杂性的建模(图3)，并利用对象组参数化的特性快速地修改模型。
建模完成后，我们就可以利用Ansys Lumerical的各种Monitor确认DBR的效果，以影片1为例，为Movie monitor，可藉此观看光波逐秒穿透DBR的情况。
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