曹鹏　高成 刘启　付宇婷

摘 要 探讨了VCSEL激光器工作环境的温度问题和激光器的带宽问题，提出VCSEL激光器的光功率与电流（L-I）模型和器件工作时的电压与电流（U-I）特性曲线模型，利用最小二乘法和高斯牛顿法，对模型初步求解并改进，最终得到最优的激光器工作环境的温度.提出一种基于速率方程的VCSEL的带宽模型（小信号响应模型），并考虑激光器的温度和偏置电流对带宽的影响，利用非线性最优化的方法确定带宽模型，最终得到相应的结论.

关键词 VCSEL仿真模型；高斯-牛顿迭代法；最小二乘法；参数估计；带宽曲线

中图分类号 TN929.11 文献标识码 A

Abstract Aiming at the problem of ambient temperature in laser operation and device bandwidth， the model of optical power and current （L-I） of corresponding lasers and the characteristic curve model of voltage and current （U-I） in operation are proposed， the least square method and Gauss Newton method are used， the model is preliminarily solved and improved， and the temperature of the optimal laser working environment is finally obtained. Proposing a VCSEL model based on bandwidth （Small Signal Response Model）， and considering the influence of laser temperature and bias current on device bandwidth， a nonlinear optimization method is used to calculate the bandwidth model and the conclusions can be drawn.

Key words simulation model VCSEL；Gauss-Newton iterative method；least square method；parameter estimation；Bandwidth curve

1 引 言

随着互联网技术的快速发展，家庭固定网络速度从原来的2Mbps、10Mbps，快速发展到了今天的百兆（100Mbps），甚至千兆（1000Mbps）的光纤宽带.垂直腔面发射激光器（VCSEL）是20世纪70年代末出现的一种新型的半导体激光器件，在光纤中传输的激光信号具有远高于电信号传输速率的特点；并且相对传统的半导体激光器，它具有光束质量好、易于制作大规模集成阵列等很多优点.光互联[1]、光开光等领域具有很广泛的应用背景.在这基础上，Uomi（1994）[2]、高洪海、林鸣康等（1997）[3]和刘立新、赵红东等学者（2003）[4]，研究了在连续工作状态下，垂直腔面发射激光器内部温度变化情况.韩立英、张存善（2003）[5]和刘生贵、陈建国（2005）[6]等学者根据电场在不同装置情况下，研究了垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）的几种表现情况.赵英杰、李轶华等（2005）[7]研究了激光器的高功率输出、可调谐技术和锁模技术.王倩（2008）[8]分析了垂直腔面发射半导体激光器的结构参数、材料参数和工作条件，建立了激光器工作的基本方程，即速率方程；……