Fundamental aspects of closed optical mode formation in Fabry–Perot semiconductor lasers based on AlGaAs/GaAs (905 nm) asymmetric heterostructures

Abstract

Experimental static and dynamic electro-optical characteristics of 905 nm high power mesastripe semiconductor laser diodes based on an AlGaAs/GaAs asymmetric heterostructure operating under Fabry-Perot cavity mode quenching have been investigated. We have shown that Fabry-Perot cavity mode reversible turn-off is due to the fulfillment of a high-Q closed mode threshold condition. The mode is propagating along both gain and passive areas of the laser diode and characterized by nearly zero output optical losses. We have demonstrated that fundamental reasons of closed mode threshold condition fulfillment are (i) gain spectra shift in the long wavelength region due to band gap shrinkage and thermal heating effects and (ii) the band gap absorption decrease in the passive area. It has been shown that the process of closed mode turn-on consists of two stages. In the first stage, Fabry-Perot cavity modes and closed modes are lasing simultaneously under high residual band gap absorption in the passive area. In the second stage, closed mode optical losses become lower than Fabry-Perot cavity mode optical losses due to a positive feedback between the residual absorption and closed mode photon stimulated generation rate. This results in an accumulation of photogenerated carriers in the quantum well active region of the laser diode passive area. As a result, the threshold concentration in the gain area decreases providing lasing emission switching from the Fabry-Perot cavity mode to the closed mode.

Модель управления конкуренцией замкнутых модовых структур в прямоугольных резонаторах большого размера на основе лазерных гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs

“…В качестве решения задачи создания подобных излучателей можно рассмотреть полупроводниковый лазер с прямоугольным резонатором на основе стандартных двойных гетероструктур с распределенной обратной связью (РОДГС) [1] для мощных торцевых полосковых полупроводниковых лазеров. Замкнутые модовые структуры на эффекте полного внутреннего отражения в подобных лазерах обладают подходящими спектральными характеристиками [2], а управление конкуренцией различных структур замкнутых мод (3M) потенциально может позволить получить последовательность импульсов выходной оптической мощности с заранее заданными параметрами, аналогично случаю модуляции мощности полупроводникового лазера c резонатором Фабри−Перо за счет переключения генерации на замкнутую моду [3,4].…”

Особенности формирования замкнутых модовых структур в прямоугольных резонаторах на основе гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для мощных полупроводниковых лазеров

“…С увеличением размеров разнообразие модового состава возрастает, однако при этом увеличиваются возможности по управлению этим составом. Исследования мод различной добротности в больших прямоугольных резонаторах с характерными размерами в тысячи длин волн (сотни мкм) на основе гетероструктур мощных полупроводниковых лазеров проводились в работах [7][8][9]. Была показана возможность переключения между низкодобротной модой Фабри−Перо (ФПМ) и высокодобротной замкнутой модой (ЗМ) при управляемом изменении соотношения их внутренних оптических потерь.…”

Полностью оптическая ячейка-модулятор на основе AlGaAs/GaAs/InGaAs-гетероструктур на длину волны 905 nm

“…Реализация оптического метода управления процессом конкуренции мо-довых структур различной добротности (моды резонатора Фабри−Перо (ФПМ) и высокодобротная замкнутая мода (ЗМ), возникающая за счет эффекта полного внутреннего отражения) в лазерах на основе полупроводниковых РОДГС [4] позволяет создать высокоэффективные импульсные лазерные источники с широким диапазоном длин волн лазерной генерации, размеров, выходных мощностей и длительностей импульсов, пригодные для дальнейшей оптической интеграции.…”

“…2, b). Во время срыва генерации ФПМ активного полоска наблюдался рост фототока до уровня насыщения, что свидетельствует о возникновении потока мощного лазерного излучения через пассивную секцию оптической ячейки, соответствующего замкнутой моде [4]. Таким образом, оптическая ячейка в диапазоне токов накачки активного полоска до 2.1 A демонстрировала режим оптически управляемого модулятора, при котором происходит обратимый срыв генерации ФПМ за счет переключения в режим генерации ЗМ.…”

“…Подобный характер поведения оптической ячейки можно объяснить конкуренцией основной (первоначальной) моды ФПМ и мод ФПМ, вытекающих в пассивные области, возникновение которых происходит из-за частично-го просветления активной области непрокачиваемой части кристалла оптической ячейки внешним импульсом засветки. При этом возник-новение полноценной ЗМ в оптической ячейке не происходит, о чем свидетельствует фототок пассивных секций, не достигающий уровня насыщения [4]. Причиной этого может быть недостаточная мощность импульса засветки вследствие низкой эффективности ввода излучения лазера засветки в волновод кристалла оптической ячейки.…”