Internal optical loss and internal quantum efficiency of a high-power GaAs laser operating in the CW mode

Abstract

We continue the comparative studies of high-power AlGaAs/InGaAs/GaAs semiconductor lasers with different waveguide designs. In this work, measurements were carried out for a continuous-wave mode of operation: light-current and current-voltage characteristics, threshold characteristics and their temperature dependences and crystal temperature depending on the pump current. The data obtained made it possible to reconstruct the dependences of internal optical losses and internal quantum efficiency using calculations. It was shown that the main factor affecting the power characteristics in the continuous mode of operation is the temperature stability of the laser and its relationship with internal optical losses and internal quantum efficiency. Thus, lasers based on a heterostructure with a doped GaAs waveguide with characteristic temperatures T 0 and T 1 of 120 K and 170 K, respectively, demonstrated an increase in internal optical losses to 2 cm −1 and a drop in the quantum efficiency to 90%, which led to saturation of the output power by high pump currents. Lasers based on the heterostructure with an AlGaAs waveguide, which are characterized by higher temperature stability (T 0 = 161 K and T 1 = 280 K), had lower internal optical losses and a higher quantum efficiency. This made it possible to obtain optical power 1 W higher than that for lasers with GaAs waveguides.

Измерение Теплового Сопротивления Торцевых Полупроводниковых Лазеров По Спектрам Спонтанного Излучения

“…Перегрев кристалла является одной из фундаментальных причин ограничения эффективности и максимальной мощности торцевых полупроводниковых лазеров. Плотность тепловой мощности, выделяемой в современных лазерных диодах, предназначенных для получения высокой мощности, при максимальных токах накачки превышает 10 2 Вт/мм 3 , что делает невозможной их эксплуатацию без систем активного охлаждения. Тем не менее, даже с применением высокоэффективных теплоотводов, перегрев активной области современных диодных лазеров может составлять 60−70 K [1].…”

“…Также увеличивается вероятность выброса носителей из активной области, приводя к уменьшению внутреннего квантового выхода [2]. Кроме того, растет концентрация носителей в волноводном слое и, соответственно, увеличиваются внутренние оптические потери, связанные с поглощением на свободных носителях [3]. Таким образом, перегрев приборов отрицательно сказывается на всех основных лазерных характеристиках: длине волны лазерной генерации, плотности порогового тока, дифференциальной эффективности, оптических потерях.…”

Thermal resistance measurement of edge-emitting semiconductor lasers using spontaneous emission spectra

“…The carrier escape rate from the active region also increases, thus reducing the internal quantum efficiency [2]. In addition, the carrier density in the waveguide layer grows, and internal optical losses associated with free-carrier absorption increase accordingly [3]. Thus, overheating of devices exerts a negative influence on all the major parameters of lasers: the lasing wavelength, the threshold current density, the differential efficiency, and optical losses.…”