Rate-equation-based VCSEL thermal model and simulation

ABSTRACT

In this paper, we present a simple thermal model of Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) light-current (LI) characteristics based on the rate-equation. The model can be implemented in conventional  SPICE-like circuit simulators, including HSPICE, and be used to simulate the key features of VCSEL. The results compare favorably with experimental data from a device reported in the literature. The simple  empirical model is especially suitable for Computer Aided Design (CAD), and greatly simplifies the design of optical communication systems.

INTRODUCTION

  Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) are a new generation of semiconductor lasers that differ considerably from the conventional edge-emitting lasers. In recent years, the characteristics of VCSELs have improved enormously (Badilita et al., 2004). Today’s VCSELs have low-threshold current densities and high output power. Moreover, their circular output beam profiles and the suitability to be integrated into 2D arrays make them most promising candidates for short-range optical communications and optical interconnects. Due to the large resistance introduced by the distributed Bragg reflectors (DBRs) and their poor heat dissipation, VCSELs have strong dependence on their thermal effect. Temperature effect on semiconductor lasers is an important factor to be considered in laser design and application. Obviously, in order to design VCSELs with even better performance, it is important to be able to model the devices with optical ,electrical and thermal effects.  In this paper, we present a thermal VCSEL model, based on the well-known rate- equations. Although it is really simple, it can model basic laser behavior under both dc and non-dc conditions, so it can inherently describe light-current (LI) characteristics over a wide temperature range without referring to detailed thermal physics. The simple empirical model is especially suitable for Computer Aided Design (CAD), and greatly simplifies the design of optical communication systems.  Our VCSEL model provides  accurate description of the VCSEL’s terminal characteristics. First, we discuss the foundation of the model based on the rate-equations which account for the spatial dependence of the VCSEL’s behavior. Second, we present simple empirical expression for the thermally dependent active layer and get the spatially  independent rate-equation. We then present a thermal rate-equation that models the device temperatures as a function of dissipated heat, and expressions that model the VCSEL’s output power and electrical  characteristics.

چکیده

در این مقاله، ما یک مدل حرارتی ساده از خصوصیات نور جریان (LI) لیزر سطح عمودی (VCSEL) بر اساس معادله سرعت ارائه می دهیم. این مدل می تواند در شبیه ساز مدار معمولی SPICE مانند HSPICE اجرا شود و برای شبیه سازی ویژگی های کلیدی VCSEL استفاده شود. نتایج حاصل از داده های آزمایشی از دستگاهی که در ادبیات گزارش شده است، مطلوب است. مدل تجربی ساده به ویژه برای طراحی کامپیوتری (CAD) مناسب است و طراحی سیستم های ارتباطی نوری را بسیار ساده می کند.

مقدمه

لیزرهای سطحی سطحی عمودی (VCSELs) نسل جدیدی از لیزرهای نیمه هادی هستند که از لیزرهای معمولی لبه لیتیومی متفاوت هستند. در سال های اخیر، ویژگی های VCSEL ها به طور چشمگیری بهبود یافته است (Badilita و همکاران، 2004). VCSEL های امروز دارای چگالی جریان آستانه پایین و قدرت خروجی بالا هستند. علاوه بر این، پروفیل های پرتو دایره ای خود و مناسب بودن در آرایه های 2D، آنها را بیشتر نامزدها برای ارتباطات نوری کم نور و اتصالات نوری می سازند. با توجه به مقاومت فراوان معرفی شده توسط بازتابنده های توزیع برگر (DBRs) و کمبود حرارت آنها در ضعیف، VCSEL وابستگی شدیدی به اثر حرارتی آنها دارد. تأثیر دما بر لیزرهای نیمه هادی عامل مهمی در طراحی و کاربرد لیزر است. بدیهی است، برای طراحی VCSEL ها با عملکرد حتی بهتر، مهم است که بتوانیم دستگاه هایی را با اثرات نوری، الکتریکی و حرارتی مدل سازی کنیم. در این مقاله، ما یک مدل VCSEL حرارتی را براساس معادلات نرخ شناخته شده ارائه می دهیم. اگر چه واقعا ساده است، می تواند رفتار لیزر پایه را در هر دو شرایط DC و غیر DC اصلاح کند، بنابراین می تواند ویژگی های نور جریان (LI) را در یک محدوده دما گسترده ای بدون اشاره به فیزیک حرارتی دقیق توصیف کند. مدل تجربی ساده به ویژه برای طراحی کامپیوتری (CAD) مناسب است و طراحی سیستم های ارتباطی نوری را بسیار ساده می کند. مدل VCSEL ما دقیق توصیف ویژگی های ترمینال VCSEL را ارائه می دهد. ابتدا، ما مبنای مدل را بر مبنای معادلات نرخی که وابستگی فضایی رفتار VCSEL را تشکیل می دهند، مورد بحث قرار می دهیم. دوم، ما بیان سادهی تجربی را برای لایه فعال گرما وابسته ارائه میدهیم و معادله سرعت ثابت مستقل را به دست می آوریم. سپس یک معادله حرارتی ارائه می دهیم که دمای دستگاه را به صورت تابعی از گرما تخلیه می کند و عباراتی که توان خروجی VCSEL و ویژگی های الکتریکی را مدل می کند.

Year: 2006

Publisher : IEEE

By :  LIU Jie , CHEN Wen-lu , LI Yu-quan

File Information: English Language/ 5 Page / size: 208 KB

Download

سال : 1385

ناشر : IEEE

کاری از : LIU Jie، CHEN Wen-lu، LI Yu-quan

اطلاعات فایل : زبان انگلیسی / 5 صفحه / حجم : KB 208

لینک دانلود