[發明專利]一種基于MATLAB的VCSEL陣列外腔鎖相過程的動力學建模仿真方法

在審

• 申請號: 202210938412.4
• 申請日: 2022-08-05
• 公開（公告）號: CN115329562A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 蘭天;王智勇;馬艷紅
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 黃素云

1.一種基于MATLAB的VCSEL陣列外腔鎖相過程的動力學建模仿真方法，其特征在于，包括：

設定VCSEL陣列的工作條件及結構參數；

建立外腔反饋作用下VCSEL陣列單元動力學特性的數學模型；

調用MATLAB內嵌ODE函數求解數學模型的動力學微分方程組，得到各變量隨時間的發展過程。

2.如權利要求1所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述VCSEL陣列由M個VCSEL陣列單元以一維或二維形式排列，M≥3。

3.如權利要求1所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述外腔通過在所述VCSEL陣列外一定距離處搭建反射元件以及片上集成外腔的方式，為所述VCSEL陣列單元間的注入鎖定提供光反饋；其中，所述反射元件包括但不限于反射鏡。

4.如權利要求1所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述工作條件為電流，所述結構參數包括有源區體積、前腔鏡與外腔鏡反射率、陣列單元孔徑直徑、陣列間距、外腔腔長以及陣列排布方式；其中，所述陣列排布方式包括但不限于正方排布、六角排布和圓形排布。

5.如權利要求1所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述數學模型通過具有外腔反饋的速率方程組建立，具體表示形式為：

式中，S為有源區內光子密度，ф為相位，N為載流子密度，t為時間，下標i(＝1，…，M)和j(＝1，…，M)分別表示第i個和第j個VCSEL陣列單元，Γ為光學限制因子，g₀為差分增益系數，N_tr為透明載流子密度，τ_p和τ_n分別為光子壽命和載流子壽命，I為工作電流，V為有源區體積，Rsp為自發輻射速率，τ_L為諧振腔往返時間，κ_ij為反饋系數，ω_0i為第i個VSCEL陣列單元的初始角頻率，α為線寬增強因子，e為電量。

6.如權利要求5所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述速率方程組中式(1)和(2)右側的最后一項分別表示單位時間內往返1/τ_L次有源區內由于光反饋所產生的光子密度總數和相位滯后總和。

7.如權利要求6所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述反饋系數κ_ij用于表征所述結構參數對外腔反饋作用強度的影響，其表示為：

式中，R₂和R₃分別為前腔鏡與外腔鏡的功率反射率，c_ij為反饋光進入有源區的耦合系數，其通過計算光場分布的重疊積分得到。

8.如權利要求1所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述動力學微分方程組的求解過程，包括：

采用數值方法求解，在MATLAB開發平臺中創建關于所述動力學微分方程組的自定義函數文件；

確定所述動力學微分方程組的數值求解的初始值；

調用MATLAB內嵌ODE函數對所述動力學微分方程組進行迭代求解，調用格式為：[t,y]＝ode(odefun,tspan,y0)；其中，odefun為關于所述微分方程組的自定義函數，tspan＝[t0tf]為積分區間，用于指定初始時間和最終時間，y0為設定的初始值；

根據數值計算的結果，記錄不同參數下，輸出光強以及波長隨時間的發展過程。

9.如權利要求1所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，還包括：

通過MATLAB App Designer建立用戶界面。

10.如權利要求9所述的動力學建模仿真方法，其特征在于，所述用戶界面通過MATLAB中的App Designer進行界面布局的設計，所述用戶界面包括登錄界面以及動力學分析界面，當用戶登錄成功后，可進入系統的動力學分析環節，輸入相關參數，則可在顯示框中得到對應的輸出光強和波長的曲線圖及運行結果。