Comparison of methods for simulation of the optical properties of VCSELs

Abstract

This paper presents the differences arising from the use of scalar (Effective Frequency Method) and vector (Fourier’s and Bessel’s Admittance Methods) calculation methods in optical analysis of arsenide Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). Discussed results demonstrate that the vector methods are more accurate than the scalar one, but also they are more time consuming. By comparing two vector methods, it can be seen that the Bessel’s Admittance Method allows to obtain similar qualitatively and quantitatively results in a slightly shorter time. The calculations were performed for structures with varied aperture radius and its location in the resonant cavity. Moreover, this paper includes the comparison of calculation results for a structure in which there are layers with gradually changing refractive index, and the structure in which these layers are replaced by a layer with a constant average refractive index.

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki obliczeń propagacji emitowanej fali elektromagnetycznej (jej długości i czasu życia fotonów) dla arsenkowego lasera typu VCSEL. Celem pracy jest przedstawienie różnic płynących z zastosowania skalarnych i wektorowych metod obliczeniowych. Omówione wyniki pokazują, iż metody wektorowe są dużo dokładniejsze od metody skalarnej, ale jednocześnie bardziej czasochłonne. Obliczenia przeprowadzono dla struktur różniących się wartością średnicy apertury oraz jej położeniem wzdłuż wnęki rezonansowej. Ponadto metodą skalarną wykonano obliczenia dla struktury, w której występują warstwy o gradientowo zmieniającym się współczynniku załamania, oraz dla struktury, w której warstwy te zastąpiono warstwą pośrednią o stałym współczynniku załamania. Celem pracy jest również pokazanie różnic w wynikach otrzymanych dla powyższych przypadków.