半導体レーザーダイオードと光デバイスのための最先端の３次元シミュレーター

ザ発光のしきい値に至るのを防いでいます。そのよ ＜概要＞ うな計算のためにこのオプションを用います。 ＰＩＣＳ３Ｄ（Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D）は、半導体レーザダイオードと光デバイスの為の最 ●面発光レーザオプション 先端３次元シミュレータです。このソフトウェアの基本 （VCSEL Option） 的な用途はエッジ型、面発光型レーザの３次元シミュレー ションです。また、ＰＩＣＳ３Ｄは発光素子に付随する このオプションを用いることで、ＶＣＳＥＬのシミュ いくつかのコンポーネントについてのモデルを取り扱え レーションを行うことが出来ます。現在このオプショ るように拡張がなされています。ＰＩＣＳ３Ｄは当社の ンで計算できるＶＣＳＥＬの構造は軸対象なものに限 ２次元レーザシミュレーションＬＡＳＴＩＰの物理モデ られます。当社のＶＣＳＥＬモデルでは曲座標形式を ルを３次元に拡張し、発展させた高度なシミュレーショ 用い縦方向と横方向にモードを分離し、ＥＥＩＭ法な ンソフトウェアです。 どのモジュールとの連携によりＶＣＳＥＬのシミュレー ションを行います。 ＜基本機能＞ ＰＩＣＳ３Ｄはエッジ型レーザの任意のｘｙ－面につい て２次元レーザシミュレーションと同様の計算データを 出力することができます。さらにＰＩＣＳ３Ｄは以下の ような種類のデータを出力することができます。  回折格子の結合係数（１次、２次の回折格子）  共振器方向のキャリア密度分布、メイン/サイド縦 モードについての光学利得と光強度  ２次の回折格子を用いたＤＦＢレーザについての表 面発光モード分布の計算  異なる縦モードでの光出力と発振周波数変化 Schematic of the coordinate system  サイドモード比、線幅、線幅と出力の積、有効α、 used for the VCSEL model ２次調和歪み、表面発光出力（２次回折格子ＤＦＢ）  任意のバイアス条件下における各端面からの各モー ドの光出力とスペクトル  各モードの光出力と発光スペクトルのバイアス依存 性と時間変化  任意のバイアス条件下におけるＡＭ/ＦＭ小信号応 答特性、ＦＭ/ＲＩＮノイズスペクトル  ２次調和歪みスペクトル ＜豊富な材料マクロ＞  シリコン、Ⅲ-Ⅴ窒化物、Ⅲ-Ⅴ化合物、Ⅱ-Ⅵ化合物、 酸化物など GaN系、InP系、ワイドギャップ等を含 む豊富なマクロ群  ３元素、４元素および５元素材料マクロも用意  ユーザーによる材料特性の変更や新材料を柔軟に作 Two VCSEL structures for simulation. Devices consist 成が可能 of GaAs/AlGaAs material with 10 quantum wells of 100 A, emitting at 0.84 m ＜主なオプションモジュール＞ ●垂直共振器半導体光増幅器(VCSOA)オプション ●拡張型等価屈折率法(PML/EEIM)オプション (Vertical-cavity SOA Option) 標準的な等価屈折率法では、すべての境界におけるモー ＶＣＳＯＡはＳＯＡの一種として分類されますが、構 ドは０、または指数関数的に減衰するものと仮定され 造や特徴はＶＣＳＥＬに非常に似ています。 る ため、放射モードを取り扱うことができません。 ＶＣＳＯＡとＶＣＳＥＬの大きな違いは、光増幅を行 ＥＥＩＭオプションを使うと、放射モードを閉じ込め う共振器内でミラー反射を減らし、ＶＣＳＯＡがレー モードと同様に取り扱うことが出来ます。 2/4

●Beam Propagation Method(BPM)オプション 体光増幅器（ＳＯＡ）とファイバー･ブラッグ･グレー ティング間の空気間隙とデバイス結合時のパワーロス テーパ構造のように、縦方向への光導波路の形状変化 を正確に取り扱います。ＰＩＣＳ３Ｄと組み合わせて が大きい場合、通常の方法では縦･横成分への波動方程 使用することにより、光･電気的諸特性に加えモード 式の分離は良い結果を与えません。ＢＰＭオプション ホッピングやパワーロス等の問題についても解析する は、このようなケースに対応するために３次元高速フー ことが出来ます。 リエ変換ＢＰＭ法を用いるオプションです。 ●自己無撞着多重量子井戸オプション (Self-Consistent MQW/Piezo Option) このオプションは、量子井戸層に強い電界がかかっ ている場合（ピエゾ効果等）、キャリアの波動関数 (シュレーディンガーの波動方程式)を計算する際に その効果を考慮します。また、シュタルク効果も考 慮されます。多重量子井戸の場合、通常では量子井 戸1つ1つに対しての波動関数を解きます。しかし、 各量子井戸層の間にあるバリア層が量子効果をもつ ほど薄い場合、この多重量子井戸領域の全領域にわ たって波動関数を解く必要があり、その際このオプ ションが必要になります。 ●３次元増幅器オプション Schematics of a couple of external cavity (Amplifier Option) fiber-grating lasers treated by PICS3D 半導体光増幅器（ＳＯＡ）のシミュレーションのため のオプションです。このオプションは非常に容易に利 ●複合多重量子井戸(Complex MQW)オプション 用できるように設計されているため、従来の半導体レー ザのシミュレーション設定をほとんど変更する必要は このオプションは、量子井戸層を定義する際、量子井 ありません。 戸層に接する２つの層（バリアー層）の物質が異なる 場合に必要です。 ●２次グレーティングオプション (2nd Order Grating Option) このオプションでは、回折格子の周期が波長と同じよ うな構造を持つＤＦＢレーザのシミュレーションを可 能にします。 Optical wave being amplified ●ファイバー／外部キャビティ－オプション (Fiber/External-Cavity Option) このオプションを使用することで、ファイバーグレー Surface emitting wave intensity profile ティングレーザ（ＦＧＬ）のシミュレーションが可能 in a 2nd order grating DFB laser になります。本オプションのＦＧＬモデルでは、半導 3/4

＜３次元物理モデル＞ ＜計算例＞ ５つの量子井戸を持つ１／４位相シフト 半導体レーザの縦・横方向の３次元形状は、その発光素 子としての動作に大きな影響を与えます。横方向の形状 ＤＦＢレーザにおけるｙｚ面での電子密度分布 は光学利得、自然・誘導再結合といった重要な機構に影 響を及ぼします。縦方向の形状は自然放出光の増幅率に 関係し、レーザ発振に関する特性を決定します。 ＶＣＳＥＬ，ＤＦＢ，ＤＢＲ レーザでは縦方向の効果 が重要な問題になります。ＰＩＣＳ３Ｄは３次元空間の 計算と同様に、物理量の時間発展とスペクトル分布を計 算することができます。横方向の物理モデルは２次元レー ザシミュレーションにおいて用いられているものと同じ なので、ここでは縦方向の取り扱いだけについて説明し ます。 縦モードの解法には伝播行列法と複素グリーン関数法を 用います。伝播行列法では、デバイスの共振器方向をい くつかの小領域に分割し、領域ごとに波を伝播させてい きます。複素グリーン関数法は高度な理論に基づいた解 析方法により多重縦モードを正確に解きます。モード結 合理論と多層膜光学理論により、ＤＦＢ，ＤＢＲ， ＶＣＳＥＬのような回折格子を含むレーザダイオードを １／４位相シフトＤＦＢレーザにおける 計算する事ができます。 ｙｚ面での右方向へ進む光の強度分布 これらの理論的手法により、レーザダイオードについて の幅広い領域での特性を正確に計算することができます。 ＜３次元シミュレーション新技術＞ ３次元レーザダイオードのシミュレーションスピードと 効率を向上させるために、新しい技術を開発しました。 当社のシミュレーション技術では、３Ｄシミュレーショ ンを２Ｄと１Ｄｚ（z 方向）の組合せに分けて処理を行 います。２Ｄと１Ｄｚモジュールは相補的な関係になっ ており、３Ｄシミュレーションでは同等な重要性を担っ ています。 以上のスクリーンショットは半導体レーザの設計におけ るＰＩＣＳ３Ｄの優れた機能を示すいくつかの例です。 ３次元デバイスはｚ方向に沿って、多数の２Ｄのスライ ＰＩＣＳ３Ｄの全ての機能がお試し頂ける試用版をご スに分割されます。１Ｄｚモジュールは共振器方向の計 用意しております。 算を行い、各２Ｄスライスへ情報を渡します。２Ｄモジュー ルは各２Ｄスライス内の xｙ平面での計算を行います。 このような処理が各バイアスステップで行われます。 ＜お問い合わせ＞ クロスライトソフトウェアインク日本支社 ＜動作環境＞ 千葉市中央区新田町 33-1ベルファースト 4階  Windows 10/8/7 64 bit, UNIX 系に対応可能 電話 043-241-2381  2.5GHz 以上の CPU 4GB 以上のメモリ www.crosslight.jp  10GB 以上の記憶媒体空き容量 info@crosslight.jp 4/4