Simulation PCSEL par Photon Design
Le logiciel FDTD OmniSim de Photon Design permet de modéliser des lasers à cristaux photoniques.
- IHM graphique pour structures à cristaux photoniques
- Solveur de bandes
- FDTD
- FDTD active pour la modélisation du gain
- Importation de spectres de gain depuis HAROLD
FDTD actif d'OmniSim
OmniSim peut exécuter des simulations FDTD actif pour simuler le gain.
Deux modèles de gain sont disponibles :
Modèle de gain statique (simple)- Modèle de gain saturable
- Gain en fonction de l'intensité
- Simple à utiliser
- Gain en fonction de la densité de porteurs
- Utilise les courbes de gain issues des données ou importées depuis Harold
PCSEL - Modèle de gain statique
Dans cet exemple, nous utiliserons le modèle de gain statique pour simuler un laser à cristal photonique émettant par la surface (PCSEL) et reproduire les résultats présentés dans [1].
Une cavité laser est créée en introduisant un défaut dans un cristal photonique 2D constitué de trous d'air au sein d'une fine membrane de matériau InP actif.
Le cristal photonique présente une constante de maille de 365 nm et un diamètre de trou de 175 nm ; la membrane d'InP a une épaisseur de 280 nm et est entourée d'air de chaque côté.
[1] W. H. P. Pernice, F. P. Payne et D. F. G. Gallagher, J. of Light. Tech., 25, 9, pp. 2306-2314 (2007)
Tout d'abord, la fréquence de résonance est déterminée à l'aide d'un calcul FDTD standard sans inclure le gain. La cavité est excitée par une impulsion de 1 µW, centrée sur une longueur d'onde de 1,25 µm, puis les résultats sont mesurés à T = 50 fs.
À gauche : Le flux dans la cavité indique que la longueur d’onde de résonance est de 1,248 µm.
À droite : L’intensité en fonction du temps dans la cavité indique que la lumière décroît de manière exponentielle, comme prévu en l’absence de gain.
Ensuite, pour préparer une simulation Active-FDTD, un matériau actif est défini à l'aide des paramètres ci-dessous dans la base de données des matériaux.
Ensuite, pour préparer une simulation Active-FDTD, un matériau actif est défini à l'aide des paramètres ci-dessous dans la base de données des matériaux.
La fonction de gain ci-dessus est définie comme une courbe lorentzienne centrée sur 1,24 µm, avec une largeur de 500 nm et une amplitude de 10 000 cm-1. « GAIN_EPS » définit le coefficient de saturation du gain de 2,1e-15 cm3.
La simulation Active-FDTD inclura désormais le gain saturable dans la simulation dans le domaine temporel.
À gauche : Champ Hy du mode résonant dans la cavité.
À droite : Intensité en fonction du temps dans la cavité (échelle logarithmique). La saturation de la puissance est nette et se produit à partir de 500 fs.
Le flux en fonction de la longueur d'onde du mode laser montre un seul pic à 1,246 µm avec une largeur de ligne très étroite de l'ordre de 1 nm.
Gauche: Échelle linéaire. Droite: Échelle logarithmique
Un capteur est placé au-dessus de la membrane InP pour calculer le champ lointain du rayonnement émis à la longueur d'onde de résonance.
Le champ lointain montre que la cavité unique ne fournit pas un faisceau hautement directionnel.
Le faisceau de sortie présente un demi-angle horizontal de 55 degrés et un demi-angle vertical de 27 degrés.
Considérons maintenant un PCSEL dans la même membrane qui se compose d’un ensemble de sept cavités.
Le pic dominant du PCSEL à 7 cavités se situe à 1,231 µm. Cette résonance présente une largeur de raie de l'ordre de 0,3 nm.
Le champ lointain (à droite) de ce mode laser présente un profil beaucoup plus étroit que celui de la cavité unique.
Demi-angle horizontal : 22 degrés. Demi-angle vertical : 12 degrés.
PCSEL - Modèle de gain dynamique
Au lieu d'utiliser un matériau avec une définition de gain statique, OmniSim Active FDTD dispose également d'un modèle de gain dynamique.
- L'utilisateur fournit des courbes de gain, issues d'expériences ou simulées avec Harold (ou un autre simulateur laser).
- Modèle d'équation de taux de porteurs incluant la recombinaison spontanée, la recombinaison stimulée et le courant d'injection.
- Modèle de gain large bande, avec ajustement automatique à un ensemble de courbes de gain (g(l) pour différentes densités de porteurs).
- Accélération de convergence – La durée de vie spontanée est généralement trop longue pour être modélisée en FDTD. L'accélération de convergence converge plus rapidement vers l'état stationnaire.
AROLD peut générer un modèle de matériau efficace pour le calcul FDTD actif d'OMNISIM
