VCSEL激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一種垂直于襯底面射出激光的激光器，可以在襯底上多個(gè)方向上排列多個(gè)激光器，形成并行光源或面陣光源，是光纖通信或光感測(cè)領(lǐng)域的主要光源之一。由于VCSEL腔長(zhǎng)極短，需要腔內(nèi)有源介質(zhì)對(duì)激射模式提供較大的增益補(bǔ)償。本案例顯示了如何設(shè)置并仿真VCSEL激光有源區(qū)的增益。

左圖展示了一個(gè)2D VCSEL激光模擬。我們將增加有源區(qū)的增益（如圖顯示為紅色）。本案例的多層VCSEL所設(shè)計(jì)的共振波長(zhǎng)為850nm，或353THz。

首先，我們將研究無(wú)增益的系統(tǒng)。有源區(qū)定義為折射率3.49的簡(jiǎn)單電介質(zhì)，在其附近添加平面波光源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)。

首先，從時(shí)間監(jiān)視器“Monitor1”中查看有源層中Ez與時(shí)間的關(guān)系譜線。由于光從結(jié)構(gòu)的頂部和底部泄漏，可以看到Ez緩慢衰變。我們選擇在1000fs時(shí)終止模擬，原因是使用增益運(yùn)行模擬時(shí)衰減會(huì)變得很明顯。時(shí)域信號(hào)的傅里葉變換表明，該結(jié)構(gòu)確實(shí)如預(yù)期那樣在大約350THz處具有共振。

我們還可以使用2D功率監(jiān)視器查看場(chǎng)分布。當(dāng)在模擬中使用場(chǎng)分布或功率監(jiān)視器時(shí)，如果場(chǎng)沒(méi)有衰減到零，則使用apodization功能非常重要。有關(guān)apodization的更多信息，請(qǐng)參閱描述頻域監(jiān)視器的頻譜平均和apodization選項(xiàng)卡頁(yè)面上的參考指南。

然后，我們可以在有源層材料中添加增益并重新運(yùn)行模擬。我們使用材料“active_gain”，這是一種具有負(fù)洛倫茲介電常數(shù)的洛倫茲型材料；這種材料可在“gain_VCSEL.fsp”中獲取。有源層的折射率獲得一個(gè)可以產(chǎn)生增益的較小負(fù)虛部分量。

我們?cè)俅斡^察時(shí)域信號(hào)，現(xiàn)在的情況非常不同，電場(chǎng)隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。FDTD不支持材料飽和狀態(tài)模型，因此電場(chǎng)將繼續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。必須在電場(chǎng)值出現(xiàn)發(fā)散之前終止模擬。我們選擇在1000fs時(shí)終止模擬。再次地，傅里葉變換在350THz時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)共振。場(chǎng)輪廓看起來(lái)也很相似，盡管場(chǎng)強(qiáng)度比未加增益時(shí)大很多。然后，我們可以使用腳本gain_VCSEL_trans.lsf在同一幅圖上繪制從激光器頂面發(fā)射的功率和有源區(qū)增益曲線。可以看出，盡管這種材料具有寬帶增益，我們也只能看到在共振頻率處的強(qiáng)放大。