(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210938412.4 (22)申请日 2022.08.05 (71)申请人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 兰天　王智勇　马艳红　 (74)专利代理 机构 北京汇信合知识产权代理有 限公司 1 1335 专利代理师 黄素云 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于MAT LAB的VCSEL阵列外腔锁相过程 的动力学建模仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于MAT LAB的VCSEL阵列 外腔锁相过程的动力学建模仿真方法， 包括： 设 定VCSEL阵列的工作条件及结构参数； 建立外腔 反馈作用下V CSEL阵列单元动力学特性的数学模 型； 调用MATLAB内嵌ODE函数求解数学模型的动 力学微分方程组， 得到各变量随时间的发展过 程。 本发明能够得到不同工作条件和结构参数下 阵列单元输出特性的变化规律， 为实现VCSEL阵 列的锁相提供了一定的理论依据。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 115329562 A 2022.11.11 CN 115329562 A 1.一种基于MATLAB的VCSEL阵列外腔锁相过程的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 包 括： 设定VCSEL阵列的工作条件及结构参数； 建立外腔反馈作用下VCSEL阵列单 元动力学 特性的数 学模型； 调用MATLAB内嵌ODE函数求解数学模型的动力学微分方程组， 得到各变量随时间的发 展过程。 2.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述VCSEL阵列由M个VCSEL 阵列单元以一维或二维形式排列， M≥3 。 3.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述外腔通过在所述VCSEL 阵列外一定距离处搭建反射元件以及片上集成外腔的方式， 为所述VCSEL阵列单元间的注 入锁定提供光反馈； 其中， 所述反射元件 包括但不限于反射镜 。 4.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述工作条件为电流， 所述 结构参数包括有源区体积、 前腔镜与外腔镜反射率、 阵列单元孔径直径、 阵列间距、 外腔腔 长以及阵列排布方式； 其中， 所述阵列排布方式包括但不限于正方排布、 六角排布和圆形排 布。 5.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述数学模型通过具有外腔 反馈的速率方程组建立， 具体表示形式为： 式中， S为有源区内光子密度， ф为相位， N为载流子密度， t为时间， 下标i(＝1， …， M)和 j(＝1，…， M)分别表示第i个和第j个VCSEL阵列单元， Γ为光学限制因子， g0为差分增 益系 数， Ntr为透明载流子密度， τp和τn分别为光子寿命和载流子寿命， I为工作电流， V为有源区 体积， Rsp为自发辐射速率， τL为谐振腔往返时间， κij为反馈系数， ω0i为第i个VSCEL阵列单 元的初始角频率， α 为线宽增强因子， e为电量。 6.如权利要求5所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述速率方程组中式(1)和 (2)右侧的最后一项分别 表示单位时间内往返1/τL次有源区内由于光反馈所产生的光子密 度总数和相位滞后总和。 7.如权利要求6所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述反馈系数κij用于表征所 述结构参数对外腔反馈作用强度的影响， 其表示 为： 式中， R2和R3分别为前腔镜与外腔镜的功率反射率， cij为反馈光进入有源区的耦合系权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115329562 A 2数， 其通过计算 光场分布的重 叠积分得到 。 8.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述动力学微分方程组的求 解过程， 包括： 采用数值方法求解， 在MATLAB开发平台中创建关于所述动力学微分方程组的自定义函 数文件； 确定所述动力学微分方程组的数值 求解的初始值； 调用MATLAB内嵌ODE函数对所述动力学微分方程组进行迭代求解， 调用格式为： [t,y] ＝ode(odefun,tspan,y0)； 其中， odefun为 关于所述微分方程组的自定义函数， tspan＝[t0   tf]为积分区间， 用于指定初始时间和最终时间， y0为设定的初始值； 根据数值计算的结果， 记录不同参数 下， 输出光强以及波长随时间的发展过程。 9.如权利要求1所述的动力学建模仿真方法， 其特 征在于， 还 包括： 通过MATLAB  App Designer建立用户界面。 10.如权利要求9所述的动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述用户界面通过MATLAB 中的App Designer进行界面布局的设计， 所述用户界面包括登录界面以及动力学分析界 面， 当用户登录成功后， 可进入系统的动力学分析环节， 输入相关参数， 则可在显示框中得 到对应的输出光强和波长的曲线图及运行 结果。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115329562 A 3