Lumerical | 基于MIM双环谐振器的等离子体光学生物传感器

垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种二极管激光器，其发射的近高斯光束垂直于芯片顶面。与传统的边缘发射激光器（光发射于芯片的一两个边缘）相比，VCSEL在制造和性能方面具有诸多优势。在本例中，我们将介绍如何构建VCSEL结构，并模拟和分析反射率、模式和频率。本例在Ansys Lumerical Multiphysics软件（2025 R1.1及更高版本）上运行，并且需要Ansys Lumerical Enterprise许可证。概述步骤1：自动构建结构并从层表(.csv)设置模拟对象.csv文件中的数据可用于自动设置所有VCSEL层，包括DBR镜和MQW层。但是，接触层和孔径氧化层需要使用脚本或图形用户界面单独添加。步骤2：冷腔模拟启用“计算冷腔光谱”选项后，可以模拟VCSEL的光学特性。首先，可以模拟腔体反射率，以快速估算腔体谐振频率。此外，通过腔体本征模模拟，可以计算支持的模式形状和频率。此外，还可以进行腔体偶极子模拟，以确定不同有源层光源极化条件下支持的频率和光束轮廓。运行和结果步骤1：自动构建结构并从层表(.csv)设置模拟对象1.打开一个新的VCSEL项目并将工作目录设置为包含所有示例文件的文件夹。2.打开并运行main.lsf脚本文件，仿真文件将被创建。VCSEL和CHARGE求解器以及仿真区域均已添加。3.打开并运行set_additional_structure.lsf。该脚本将添加顶部接触和孔径氧化物。注意：VCSEL结构数据文件必须保存为csv格式。该脚本将自动设置几何形状，并根据材料的成分添加光学属性。使用III-V族半导体光学材料数据工具-Ansys Optics添加光学属性（更多详情请参考文末相关链接）。此外，还添加了两个模拟区域，一个用于光学模拟，一个用于电荷传输模拟。光学模拟区域的边界自动设置为PML（除了对应于圆柱对称轴的边界）。用户可以为VCSEL和CHARGE仿真添加额外的对象，例如衬底、触点、CHARGE电边界条件和监视器。此外，还可以检查和调整材料的电学和光学属性。最后，还可以调整VCSEL和CHARGE/MQW求解器选项。步骤2：冷腔模拟本征模模拟和反射率分析1.打开vcsel_T_shape_optical_reference.ldev模拟文件并使用“with source”选项运行它，该选项可以在VCSEL求解器的“光学/模态分析”选项卡下找到。2.运行plot_eigenmode_results.lsf来可视化反射率分析、特征模场分布和频率。绘制了反射和透射光谱，确定了腔体谐振点，其对应波长为982nm。注意：在运行模拟之前，可以通过单击 VCSEL 求解器选项卡上的分区按钮来可视化反射率分析结果。由于在VCSEL求解器“General”选项卡中的“reflectivity structure group”选项中选择了“All”，因此上述反射率结果对应于整个VCSEL腔体。通过在“reflectivity structure group”选项中选择适当的组，也可以对结构的子组进行分析。此外，在VCSEL求解器“Reflectivity”选项卡中，可以设置波长范围、波长数量和入射角。绘制了每种模式的频率与模式数和傅里叶指数的关系图。如下所示，对于傅里叶指数1，在指定频率附近仅发现了四种模式。模式1和傅里叶指数1的电场和磁场分量如下所示。该模式主要为TE模式，但由于其Ez分量较大，因此并非完全为TE模式。注意：由于VCSEL设计工具采用圆柱对称性，虽然结果查看器中显示的是笛卡尔坐标轴名称，但结果实际上是圆柱坐标系的。有关笛卡尔坐标和圆柱坐标系之间映射的更多详细信息，请访问文末“VCSEL坐标映射-Ansys Optics”。偶极子模拟3.切换到布局，在VCSEL求解器的光学/模态分析选项卡下启用“with source”选项，将“sweep type”更改为“linspace”，然后使用下面显示的设置运行模拟。4.运行plot_dipole_results.lsf来可视化频率和光束轮廓。对于傅里叶指数1，功率与模式数的关系如下：绘制了每个傅里叶指数的功率与波长的关系图。模式数为24、傅里叶指数为1的电场和磁场分量对应于两个功率峰值之一（另一个峰值对应于模式6），如下所示。从光场监视器中可视化模式数为24、傅里叶指数为1的坡印廷矢量的z分量。坡印廷矢量的峰值大约位于半径0um处，这与上图中模式数为24、傅里叶指数为1时腔内场分布中最大强度的位置一致。5.切换到布局并在光学/模态分析选项卡下使用下面显示的设置并重新运行模拟。6.运行plot_dipole_results.lsf来可视化频率和光束轮廓。对于傅里叶指数0，功率与模式数的关系如下：还绘制了每个傅里叶指数的功率与波长的关系图。模式数为17、傅里叶指数为0时，对应功率峰值的电场和磁场分量如下所示。从光场监视器中可视化模式数为17、傅里叶指数为0的坡印廷矢量的z分量。坡印廷矢量的峰值大约位于半径1um处，这与上图中模式数为17、傅里叶指数为0时腔内场分布中最大强度的位置一致。重要模型设置冷腔模拟：要运行冷腔模拟，必须启用VCSEL求解器“General”选项卡中的“calculate cold cavity spectrum”选项。反射率分析：为了计算整个VCSEL结构的反射率光谱，必须在VCSEL求解器“General”选项卡中的“reflectivity structure group”选项中选择“All”。如果对某个子组的反射率感兴趣，则必须在“reflectivity structure group”选项中选择该子组。反射率分析的波长范围以及入射角可以在VCSEL求解器“Reflectivity”选项卡中设置。反射率分析结果可以在分区后或运行模拟后进行可视化。圆柱轴：由于VCSEL求解器支持圆柱对称的VCSEL，因此在VCSEL求解器“Optical”选项卡下的“General”选项卡中正确设置圆柱对称轴非常重要。模拟区域也必须正确设置，以使对称轴与VCSEL轴相对应。波长/频率：执行本征模分析时，“Optical”选项卡下的“Model Analysis”选项卡要求输入单个波长/频率值，以及计算中需要考虑的、围绕所选值的特征模数量。用于本征模计算的波长/频率应设置为接近VCSEL的预期工作波长。使用偶极子源运行仿真时，“Model Analysis”选项卡中的输入对应于偶极子源的波长/频率范围。傅里叶分量的数量：虽然使用2-3个傅里叶分量通常就足够了，但用户可以设置更多的傅里叶分量来检查腔体模式和不同偶极子位置和方向的腔体响应。其他资源参考VCSEL设计工具的自动层导入相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/38063364542995-Automatic-Layer-Import-for-VCSEL-Design-ToolVCSEL求解器-模拟对象相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/38067361473683-VCSEL-solver-Simulation-objectVCSEL求解器介绍相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/38067782408083-VCSEL-Solver-IntroductionIII-V族半导体光学材料数据工具-Ansys Optics相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/4411081333011-III-V-Semiconductor-Optical-Material-Data-ToolVCSEL坐标映射-Ansys Optics相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/38063555506707-Coordinate-Mapping-for-VCSEL- END -来源：摩尔芯创