遗传算法优化VCSEL激光器仿真模型：温度与带宽特性研究

本文主要探讨了在下一代光通信领域中，针对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的仿真建模和优化技术。垂直腔面发射激光器因其低功耗和操作简便的特点，在光纤通信系统中扮演着核心角色，精确地理解其特性对于提高系统仿真模型的准确性至关重要。 首先，作者构建了VCSEL的光强度-注入电流(I-L)模型和小信号频率响应模型，利用自适应遗传算法和粒子群算法进行参数优化。结果显示，自适应遗传算法在解决非线性隐函数参数优化问题时表现出更好的性能，得到了一组最优参数：\( I_0 = 0.5 \) A, \( R_{\eta} = 0.3 \times 10^{-3} \Omega \), \( \beta_2 = 2.6 \times 10^3 \) 1/s, \( R_{\eta, T} = 1.25 \times 10^{-3} \Omega/^\circ C \), \( R_{\eta, q} = -2.55 \times 10^{-5} \Omega/q \), \( R_{\eta, q^2} = 2.91 \times 10^{-7} \Omega/(q \cdot ^\circ C) \), \( R_{\eta, q^3} = -2.53 \times 10^{-10} \Omega/(q^2 \cdot ^\circ C) \), 和 \( R_{\eta, q^4} = 1.022 \times 10^{-12} \Omega/(q^3 \cdot ^\circ C) \)。温度对激光器工作特性的影响也得到了重视，发现当工作环境温度不超过42.7℃时，设备能保持正常运行。 针对模型改进，作者注意到温度因素被忽略导致的误差，因此引入温度相关参数并进行了新的优化。优化后的温度工作范围调整为38.2℃。此外，通过速率方程建立的小信号幅频响应参数模型，研究了模拟退火算法(SA)和多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)在确定最优参数中的差异，最终得出\( G = 0.7 \), \( \tau_n = 9.59 \times 10^{-5} \) s, \( \tau_p = 4.36 \times 10^{-9} \) s, \( \epsilon = 1.72 \times 10^{-8} \), \( \tau_c = 1.04 \times 10^6 \) s, \( \tau_{sc} = 8.69 \times 10^5 \) s, \( \epsilon_p = 1.15 \times 10^{-11} \), 和 \( \epsilon_s = 1.19 \times 10^{-7} \) 的参数组合。研究发现，偏置电流和温度对VCSEL带宽响应有显著影响：随着偏置电流的增加，带宽增大；而随着温度升高，带宽减小。 文章提出了两种优化设计方案，其中一个关键参数是载流子复合寿命\( \tau_c \)，通过降低\( \tau_c \)，可以扩大激光器的工作带宽，同时改善高频部分的响应特性，有利于提高系统的整体性能。综上，本文的工作不仅提供了精确的VCSEL模型，还为光通信系统的设计和优化提供了重要的理论支持。