摘要： 本专题采用 NUWA 软件仿真 VCSEL 的光电特性，展示了高速及多结 VCSEL 器件结构构建及物理模型的设置和仿真结果，旨在让使用者充分了解和掌握 NUWA 的操作和使用，并能够使用该软件进行各种 VCSEL 的仿真和优化设计。
VCSEL即垂直腔面发射激光器 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。自 1977 年由日本东京工业大学伊贺健一提出了相关概念并经过四十多年的发展，VCSEL结构和性能得到不断的改进和提高，逐步走进千家万户，为人们所熟知。相对于边发射激光器，由于 VCSEL 是垂直于有源层和衬底出射激光，因而具有诸多优点[1]：
1）发光效率高，工作阈值低，低功耗，节能； 2）波长稳定，随温度漂移小（温漂系数约为0.06nm/°C）； 3）腔长短，纵模间隔较大，可实现单纵模输出； 4）光束质量好，出射圆形光斑，易于光束耦合和光束整形； 5）制备简单、封装简易、良率高、生产成本低； 6）调制带宽大，调制频率高，可满足高容量、低延迟的数据传输需求； 7）可形成二维面阵光源，便于集成；
因此，VCSEL在光通讯、面部识别、激光雷达、AR/VR 设备、智能汽车等领域得到广泛的应用。如基于多结技术的 905/940nm VCSEL 光源功率密度高，可用于车载激光雷达，实现长距离扫描；850nm VCSEL 光源单通道速率实现 10G、25G，甚至 100G，可用于高速数据通信；905/940nm VCSEL 光源也用于人脸识别、手势识别、TOF 测距、3D 传感等消费电子领域。
然而，5G 通信、云计算、军事等应用领域的快速发展向 VCSEL 功率和数据带宽提出了更高的要求。为了满足日益增长的需求，VCSEL 需要在材料组分及膜层质量、多量子阱结构、掺杂分布、氧化孔径、台面尺寸等方面进行优化设计，以提高其微分增益，减小损耗，增大调制带宽，实现更高功率和更高速度的 VCSEL 产品性能。
仿真技术作为一种低成本、高效率的器件性能优化方法已经得到了广泛的应用。为了进一步实现高功率及高速 VCSEL 器件的优化设计，本专题特别针对高速及多结 VCSEL 进行器件仿真，包括器件结构、模型设置及结果输出，展示仿真技术的功能和作用，以便用户能够利用仿真技术进行 VCSEL 光电性能的优化和设计。
本专题针对高速和多结 VCSEL 采用 NUWA 半导体工艺和器件仿真软件进行仿真。NUWA软件通过多层膜光学转移矩阵方法计算 VCSEL 的纵向光学特性；采用有效折射率方法求解标量光波方程，计算 VCSEL 的横向模式特性，考虑光、电、热、力及隧穿和自热模型的相互耦合，并自洽计算半导体漂移-扩散基本方程，来实现对 VCSEL 光电特性的仿真。
[1] 伊贺健一，小山二三夫，面发射激光器基础与应用[M]，科学出版社，2002.