激光器仿真：(7)半导体+波导混合锁模激光器

前言

半导体激光器（Semiconductor laser）是能够产生相干超短光脉冲的一类重要的芯片级梳状集成光源，在基础科学和技术中有着广泛的应用如数据通信、光学测距和光谱学。在过去的几十年里，人们已经提出了各种各样的锁模激光器的建模仿真理论，这些理论可以分为两个不同的类别:分布式模型和离散模型(distributed models and discrete models)。分布式模型平均了对循环脉冲的影响，因此可以用一个偏微分方程来描述锁模激光器。它通常基于the Haus's master equation，三次五次金兹堡-朗道方程(the cubic quintic Ginzburg–Landau equation)或the Swif–Hohenberg equation。尽管这些模型能够得到解析解，并使脉冲动力学研究成为可能，但它们基于脉冲接近平衡，且仅在激光腔内的假设。因此带有高增益和高损耗的锁模激光器不能很好地仿真，此外，这些方程一般采用一般形式来描述增益和吸收，对于复杂的可能极大影响增益和饱和吸收特性的半导体激光器，这些方程也不能很好地描述。相比之下，离散模型可以对激光腔中的不同组件分别建模，但不一定意味着用不同的方程，而是通过改变方程中的参数来对应不同的组件。这种离散模型通常基于时滞微分方程（delay diferential equation）、电磁场的时域有限差分描述、完整的麦克斯韦-布洛赫方程（the full Maxwell–Bloch equation）或c模型。

近些年，行波模型（Traveling-Wave Models，TWMs）主要用于锁模半导体激光器的仿真建模，它可以结合半导体的丰富物理特性，同时计算量不会很大。然而，现有的行波模型不适用于带有非线性和色散效应的长腔扩展的无源激光腔。本文主要是通过MATLAB编程将半导体激光器（行波模型）和扩展无源波导激光器（分步傅里叶法）相结合来仿真半导体+波导锁模激光器。

仿真模型和激光腔结构

1.仿真半导体激光器部分的模型如下

其中具体考虑了多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)光学约束因子，有效折射率，角频率，半导体材料的内部损耗、载流子密度、载流子寿命、输入电流、电子电荷和电磁化率等。

2.无源硅基波导激光器模型采用如下形式的非线性薛定谔方程

其中具体考虑了线性和非线性损耗、双光子吸收和自由载流子吸收，色散效应、拉曼效应、硅基波导的非线性效应。

仿真激光腔结构如下

图1 激光腔结构

仿真结果

图2和图3展示了激光腔中在100 ns持续时间内的脉冲建立过程。

图2 锁模激光器的脉冲建立过程

图3 放大尺寸的脉冲序列

图4-图5展示腔内脉冲和输出脉冲的形态。

图4 腔内脉冲

图5 输出脉冲

图6展示了半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifer ，SOA）、可饱和吸收体SA和隔离器ISO的强度包络。

图6 SOA、SA、ISO的载流子密度

---

本文所用图为MATLAB上仿真的程序所画，如要转载引用，请注明出处。