[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

本發明公開了一種基于MATLAB的VCSEL陣列外腔鎖相過程的動力學建模仿真方法，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。本發明能夠得到不同工作條件和結構參數下陣列單元輸出特性的變化規律，為實現VCSEL陣列的鎖相提供了一定的理論依據。

技術領域

本發明涉及VCSEL激光器技術領域，具體涉及一種基于MATLAB的VCSEL陣列外腔鎖相過程的動力學建模仿真方法。

背景技術

垂直腔面發射半導體激光器(VCSEL)由于其出光方向垂直于襯底表面，所以可通過二維陣列集成的方式獲得更高的功率輸出。但在這類激光陣列中，各個發光單元獨立工作，對光束質量沒有優化作用。如果能使陣列各單元間的光場相互耦合，實現波長和相位的鎖定，就可以從陣列中獲得相干輸出，從而滿足光泵浦、3D感測、激光雷達、激光材料加工等領域對高功率、高光束質量光源的需求。那么，要實現VCSEL陣列的相干輸出，常用的方法有倏逝波耦合、反波導耦合、基于圖案化質子注入以及刻蝕光子晶體的耦合方法等。然而，這些耦合方法存在制備困難，精度要求高，傾向于在異相模式下工作等問題，最終導致陣列規模小，同相輸出功率低，發散角大。

通過在外搭建反射鏡或片上集成外腔實現VCSEL陣列的鎖相是另一種有效方式，它利用光束在外腔中傳播時發生的衍射以及外腔鏡的反饋作用，在激光陣列的各個發光單元之間建立相互耦合的機制。由于其間距可調，相比于內部耦合方式有效改善了陣列的散熱性能，對于進一步擴大陣列規模、提高輸出功率有積極的作用。但這種耦合方式尚未在實驗上得到很好的驗證，主要是因為鎖相涉及的互注入過程以及鎖相條件仍然未知，缺乏與之相對應的陣列結構設計。

發明內容

針對現有技術中存在的不足之處，本發明提供一種基于MATLAB的VCSEL陣列外腔鎖相過程的動力學建模仿真方法。

本發明公開了一種基于MATLAB的VCSEL陣列外腔鎖相過程的動力學建模仿真方法，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。

作為本發明的進一步改進，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。

作為本發明的進一步改進，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。

作為本發明的進一步改進，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。

作為本發明的進一步改進，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：