Effect of internal optical loss on threshold characteristics of semiconductor lasers with a quantum-confined active region

Abstract

We develop a general approach to including the internal optical loss in the description of semiconductor lasers with a quantum-confined active region. We assume that the internal absorption loss coefficient is linear in the free-carrier density in the optical confinement layer and is characterized by two parameters, the constant component and the net cross section for all absorption loss processes. We show that, in any structure where the free-carrier density does not pin in the presence of light generation, the free-carrier-density dependence of internal loss gives rise to the existence of a second lasing threshold above the conventional threshold. Above the second threshold, the light-current characteristic is two-valued up to a maximum current at which the lasing is quenched. We show that the presence of internal loss narrows considerably the region of tolerable structure parameters in which the lasing is attainable; for example, the minimum cavity length is significantly increased. Our approach is quite general but the numerical examples presented are specific for quantum dot (QD) lasers. Our calculations suggest that the internal loss is likely to be a major limiting factor to lasing in short-cavity QD structures.

Рост Внутренних Оптических Потерь С Увеличением Тока Накачки И Выходная Мощность Лазеров На Квантовых Ямах

“…Степени заполнения f n и f p связаны с двумерными концентрациями электронов и дырок в КЯ, n QW и p QW , следующим образом [1,2,17]:…”

“…Ввиду немгновенности захвата носителей заряда из волноводной области в квантовые ямы концентрации этих носителей в волноводной области растут с уве-личением тока инжекции в режиме лазерной генера-ции [1][2][3][4]14,16]. Вследствие этого, как видно из (12), происходит увеличение внутренних оптических потерь в волноводной области лазерной структуры.…”

“…Эта проблема исследовалась в различных работах. В част-ности, в работах [1][2][3][4][5][6] теоретически изучалось влияние роста внутренних оптических потерь с увеличением тока накачки на рабочие характеристики лазеров с квантово-размерными активными областями. Нами недавно были выполнены экспериментальные исследования этой проб-лемы в лазерных структурах с длиной волны излучения ∼ 1 мкм [7][8][9][10].…”

“…Мы используем здесь условие глобальной электронейтраль-ности и учитываем немгновенность захвата носителей в квантовые ямы. В [1][2][3] для построения аналитической модели использовалось условие локальной электроней-тральности, а в [4-6] не учитывалась конечность скоро-сти захвата носителей заряда в ямы.…”

Optical power of semiconductor lasers with a low-dimensional active region

“…f n is the occupancy of the lower edge of the electron quantum-confinement sub-band in the QW and f p is the occupancy of the upper edge of the hole quantum-confinement sub-band in the QW. The occupancies f n and f p are not independent quantities themselves-they are expressed in terms of the 2D-carrier densities n QW and p QW as follows: 17,18 …”