[发明专利]一种运用粒子群算法优化VCSEL阵列排布的方法

说明书

本发明公开了一种运用粒子群算法优化VCSEL阵列排布的方法，基于改善结温分布均匀性的目的，本发明运用迭代收敛技术将优化过程分为两个部分，分别是热电反馈计算过程和粒子群排布优化过程。在粒子群算法中引入基于最小势能原理的适应度函数来提供优化标准，同时在更新粒子群速度和位置时引入随机因子，以增加群体的随机性，提高算法的优化效率。以具有4×4个单元的VCSEL阵列为例进行了排布优化设计，证明了本发明方法的有效性。

技术领域

本发明涉及半导体激光器和智能计算技术领域，特别是涉及一种运用粒子群算法优化VCSEL阵列排布的方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列具有阈值电流低、远场发散角小、调制速度快、易于二维阵列集成等优点，将作为标准光源在高比特率数据传输、光互连、光纤通信、光存储和激光雷达等系统中具有越来越广泛的应用前景。

然而，随着VCSEL阵列集成度的不断提高，热效应将严重制约VCSEL阵列工作性能。由VCSEL阵列中各单元自身耗散功率引起的自热效应以及单元间的热耦合效应将会导致中心单元结温高于外侧单元结温，由于注入电流具有正温度系数，将导致各单元上的注入电流重新分配，此时中心单元将获得更多的电流，产生更多的热，如此反复将导致VCSEL阵列的结温分布变得极为不均匀，引起热滚降效应，从而严重限制了VCSEL阵列的输出光功率水平。同时，VCSEL阵列的寿命及可靠性也将随着VCSEL阵列峰值结温的升高而迅速缩短和降低。可见如何有效改善VCSEL阵列的结温分布的均匀性具有重要意义。

现有技术主要是通过人工手动调节VCSEL阵列中各单元之间的间距来削弱热效应，进而改善结温分布的均匀性。但随着VCSEL阵列集成度的不断提高以及VCSEL单元个数的不断增大，人工手动调节VCSEL阵列排布的设计成本和时间成本将大幅提升。因此，亟需一种可以自动地对VCSEL阵列排布进行优化设计来改善结温分布均匀性的有效方法。

众所周知，粒子群算法作为智能计算领域的一个新分支，是在对鸟群觅食行为研究的基础上提出的一种群体智能演化计算方法，是一种高鲁棒性和广泛适用的全局优化算法。本发明将粒子群算法运用到VCSEL阵列优化排布设计中，只需确定目标函数的信息而不需要与VCSEL有关的特殊知识，不受VCSEL阵列建模限制性假设条件的约束，不要求基于最小势能原理建立的适应度函数具有连续性、可导性等假设，可以从离散的、多极值的、含有噪声的多维问题中以很高的概率找到全局最优解。因此，粒子群算法十分适合于解决VCSEL阵列排布设计这样的优化问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种运用粒子群优化VCSEL阵列排布的方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

本发明公开了一种运用粒子群算法优化VCSEL阵列排布的方法，将粒子群算法运用到VCSEL阵列排布的优化设计中。为了得到最佳的VCSEL阵列排布，发明的粒子群优化算法并不像传统方法一样通过手动调节VCSEL阵列各单元之间间距来进行优化，而是运用迭代收敛技术将优化过程分为热电反馈计算过程和粒子群排布优化过程，两个过程反馈迭代进行优化。可以任意选择对VCSEL阵列中部分或全部单元进行排布优化，粒子的编码采用多维数组编码，每一维的值对应一个待优化VCSEL单元的位置坐标。运用粒子群算法优化VCSEL阵列排布的方法的具体步骤如下：

S1、设置VCSEL阵列的初始化排布形式，其中各VCSEL单元之间具有相同的间距值L；

S2、使用ANSYS建立VCSEL阵列模型；

S3、设置VCSEL阵列包括注入电流、环境温度在内的工作条件；

S4、模拟VCSEL阵列温度分布并提取初始峰值结温T₀；

S5、使用MATLAB计算VCSEL阵列各单元的热流密度；