一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法，包括：设定VCSEL阵列的工作条件及结构参数；建立外腔反馈作用下VCSEL阵列单元动力学特性的数学模型；调用MATLAB内嵌ODE函数求解数学模型的动力学微分方程组，得到各变量随时间的发展过程。本发明专利技术能够得到不同工作条件和结构参数下阵列单元输出特性的变化规律，为实现VCSEL阵列的锁相提供了一定的理论依据。列的锁相提供了一定的理论依据。列的锁相提供了一定的理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法


[0001]本专利技术涉及VCSEL激光器
，具体涉及一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法。

技术介绍

[0002]垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)由于其出光方向垂直于衬底表面，所以可通过二维阵列集成的方式获得更高的功率输出。但在这类激光阵列中，各个发光单元独立工作，对光束质量没有优化作用。如果能使阵列各单元间的光场相互耦合，实现波长和相位的锁定，就可以从阵列中获得相干输出，从而满足光泵浦、3D感测、激光雷达、激光材料加工等领域对高功率、高光束质量光源的需求。那么，要实现VCSEL阵列的相干输出，常用的方法有倏逝波耦合、反波导耦合、基于图案化质子注入以及刻蚀光子晶体的耦合方法等。然而，这些耦合方法存在制备困难，精度要求高，倾向于在异相模式下工作等问题，最终导致阵列规模小，同相输出功率低，发散角大。
[0003]通过在外搭建反射镜或片上集成外腔实现VCSEL阵列的锁相是另一种有效方式，它利用光束在外腔中传播时发生的衍射以及外腔镜的反馈作用，在激光阵列的各个发光单元之间建立相互耦合的机制。由于其间距可调，相比于内部耦合方式有效改善了阵列的散热性能，对于进一步扩大阵列规模、提高输出功率有积极的作用。但这种耦合方式尚未在实验上得到很好的验证，主要是因为锁相涉及的互注入过程以及锁相条件仍然未知，缺乏与之相对应的阵列结构设计。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法。
[0005]本专利技术公开了一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法，包括：
[0006]设定VCSEL阵列的工作条件及结构参数；
[0007]建立外腔反馈作用下VCSEL阵列单元动力学特性的数学模型；
[0008]调用MATLAB内嵌ODE函数求解数学模型的动力学微分方程组，得到各变量随时间的发展过程。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述VCSEL阵列由M个VCSEL阵列单元以一维或二维形式排列，M≥3。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述外腔通过在所述VCSEL阵列外一定距离处搭建反射元件以及片上集成外腔的方式，为所述VCSEL阵列单元间的注入锁定提供光反馈；其中，所述反射元件包括但不限于反射镜。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述工作条件为电流，所述结构参数包括有源区体积、
前腔镜与外腔镜反射率、阵列单元孔径直径、阵列间距、外腔腔长以及阵列排布方式；其中，所述阵列排布方式包括但不限于正方排布、六角排布和圆形排布。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述数学模型通过具有外腔反馈的速率方程组建立，具体表示形式为：
[0013][0014][0015][0016]式中，S为有源区内光子密度，ф为相位，N为载流子密度，t为时间，下标i(＝1，
…
，M)和j(＝1，
…
，M)分别表示第i个和第j个VCSEL阵列单元，Γ为光学限制因子，g0为差分增益系数，N
tr
为透明载流子密度，τ
p
和τ
n
分别为光子寿命和载流子寿命，I为所述工作电流，V为所述结构参数中的有源区体积，Rsp为自发辐射速率，τ
L
为谐振腔往返时间，κ
ij
为反馈系数，ω
0i
为第i个VSCEL阵列单元的初始角频率，α为线宽增强因子，e为电量。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述速率方程组中式(1)和(2)右侧的最后一项分别表示单位时间内往返1/τ
L
次有源区内由于光反馈所产生的光子密度总数和相位滞后总和。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述反馈系数κ
ij
用于表征所述结构参数对外腔反馈作用强度的影响，其表示为：
[0019][0020]式中，R2和R3分别为前腔镜与外腔镜的功率反射率，c
ij
为反馈光进入有源区的耦合系数，其通过计算光场分布的重叠积分得到。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述动力学微分方程组的求解过程，包括：
[0022]采用数值方法求解，在MATLAB开发平台中创建关于所述动力学微分方程组的自定义函数文件；
[0023]确定所述动力学微分方程组的数值求解的初始值；
[0024]调用MATLAB内嵌ODE函数对所述动力学微分方程组进行迭代求解，调用格式为：[t,y]＝ode(odefun,tspan,y0)；其中，odefun为关于所述微分方程组的自定义函数，tspan＝[t0 tf]为积分区间，用于指定初始时间和最终时间，y0为设定的初始值；
[0025]根据数值计算的结果，记录不同参数下，输出光强以及波长随时间的发展过程。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，还包括：
[0027]通过MATLAB App Designer建立用户界面。
[0028]作为本专利技术的进一步改进，所述用户界面通过MATLAB中的App Designer进行界面布局的设计，所述用户界面包括登录界面以及动力学分析界面，当用户登录成功后，可进入系统的动力学分析环节，输入相关参数，则可在显示框中得到对应的输出光强和波长的曲
线图及运行结果。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0030]针对基于外腔锁相的VCSEL阵列结构，本专利技术利用MATLA B实现了锁相过程的动力学分析，并能将分析结果进行可视化表达；其能够得到不同工作条件和结构参数下阵列单元输出特性的变化规律，为实现VCSEL阵列的锁相提供了一定的理论依据。
附图说明
[0031]图1为本专利技术中基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法流程图；
[0032]图2为本专利技术实施例中外腔式锁相VCSEL阵列的概念结构示意图；
[0033]图3为本专利技术实施例中MATLAB用户界面的登录界面示意图；
[0034]图4为本专利技术实施例中MATLAB用户界面的动力学分析界面示意图；
[0035]图5为本专利技术实施例中输入参数在用户界面得到的对应输出光强及波长的曲线图。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细描述：
[0038]如图1所示，本专利技术提供一种基于MATLAB的VCSEL阵列外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法，其特征在于，包括：设定VCSEL阵列的工作条件及结构参数；建立外腔反馈作用下VCSEL阵列单元动力学特性的数学模型；调用MATLAB内嵌ODE函数求解数学模型的动力学微分方程组，得到各变量随时间的发展过程。2.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法，其特征在于，所述VCSEL阵列由M个VCSEL阵列单元以一维或二维形式排列，M≥3。3.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法，其特征在于，所述外腔通过在所述VCSEL阵列外一定距离处搭建反射元件以及片上集成外腔的方式，为所述VCSEL阵列单元间的注入锁定提供光反馈；其中，所述反射元件包括但不限于反射镜。4.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法，其特征在于，所述工作条件为电流，所述结构参数包括有源区体积、前腔镜与外腔镜反射率、阵列单元孔径直径、阵列间距、外腔腔长以及阵列排布方式；其中，所述阵列排布方式包括但不限于正方排布、六角排布和圆形排布。5.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法，其特征在于，所述数学模型通过具有外腔反馈的速率方程组建立，具体表示形式为：反馈的速率方程组建立，具体表示形式为：反馈的速率方程组建立，具体表示形式为：式中，S为有源区内光子密度，ф为相位，N为载流子密度，t为时间，下标i(＝1，
…
，M)和j(＝1，
…
，M)分别表示第i个和第j个VCSEL阵列单元，Γ为光学限制因子，g0为差分增益系数，N
tr
为透明载流子密度，τ
p
和τ
n
分别为光子寿命和载流子寿命，I为工作电流，V为有源区体积，Rsp为自发辐射速率，τ
L
为谐振腔往返时间，κ
ij
为反馈系数，ω
...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰天，王智勇，马艳红，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：