JCMsuite案例展示：垂直腔面发射激光器（VSCEL）的建模分析

垂直腔面发射激光器 （VCSEL） 是一种特定的微型化半导体激光二极管。谐振腔通常由布拉格反射镜（分布式布拉格反射器DBR）构成，激光束发射垂直于顶部的表面。本教程案例展示了如何设置复杂的 VCSEL 几何形状，以及如何用其特有的 3D 模式轮廓、共振波长和质量因子（Q 因子）高效的计算腔膜。该设置紧跟文献中的案例（比恩斯特曼等人2001年发表的文章）。其结构形状是旋转对称的，因此您可以在圆柱坐标系统中使用共振模式求解器来计算共振。

几何体（由一个二维平面几何形状围绕 y 轴旋转以产生三维器件几何结构）和各种网格生成参数在文件layout.jcm中定义。在此特定情况下，所有层（DBR、激发层、光圈层、腔层）都在绝对坐标中定义为多边形，精度低于纳米量级。

设置网格选项，以便获得相对较大的且不太精细离散化的计算域。（在这种情况下，最薄的层只有5nm的厚度，而设备的直径是约10um。在这种条件下，各向异性网格设置可以显著降低计算工作量。

下图展示了上面所描绘的几何形状（左边上图DBR 是25组四分之一波层对，下面DBR 是30组四分之一波层对）和部分三角网格划分（右图，放大后是非常薄的激发层，可以看到具有尖锐三角形的各向异性网格）。

对于旋转对称坐标系中基本模式的计算将参数进行如下定义：Field Components = Electric RYPhi and Bloch Vector = [0, 0, 1]。（参考计算三维圆柱形几何结的参数定义）。

数值选项设置为相对较高的精度。模态求解器的估计值设为接近共振频率的值(良好的起始值是有益的，因为结构支持大量的模态，模态之间的距离很近。估计值可以通过充分的学习而估计，从文献中或使用较低数值分辨率的数值扫描得到):

NearGuess{

Guess=1.921e+15

NumberEigenvalues=1

}

透明边界条件(PMLs)的设置也选择这样，径向方向计算遗漏得到很好的解决，不会导致人工反射。

文件project.jcmp还包括通过计算的3D解决方案将计算的场分布导出到2D截面的后处理过程。下图展示了平行于对称轴且通过腔体中心的截面，左图显示了光强分布，右图是场矢量分量的实部():

项目文件夹还包含一个脚本run_project.m，它可以自动设置几何结构，调用有限元求解器，并从计算出的特征值可以得到共振波长和Q因子。