Slow passage through thresholds in quantum dot lasers

Abstract

A turn-on of a quantum dot (QD) semiconductor laser simultaneously operating at the ground (GS) and excited (ES) states is investigated both experimentally and theoretically. We …nd experimentally that the slow passage through the two successive laser thresholds may lead to signi…cant delays in the GS and ES turn-ons. The di¤erence between the turn-on times is measured as a function of the pump rate of change " and reveals no clear power law. This has motivated a detailed analysis of rate equations appropriate for two-state lasing QD lasers. We …nd that the e¤ective time of the GS turn-on follows an " 1=2 power law provided that the rate of change is not too small. The e¤ective time of the ES transition follows an " 1 power law but its …rst order correction in ln(") is numerically signi…cant: The two turn-ons results from di¤erent physical mechanisms. The delay of the GS transition strongly depends on the slow growth of the dot population while the ES transition only depends on the time needed to leave a repellent steady state.Semiconductor quantum dot (QD) based optical materials and devices have led to intensive research activities because of promising technological applications in biophotonics and optical communications. The recombination of ground state (GS) and excited state (ES) electrons and holes in QD lasers may contribute to simultaneous lasing at both states [1]. Simultaneous lasing has been investigated in steady-state operations [2-4], in dynamical regimes of feedback [5], saturable absorption [6,7], and mode locking [8].Turn-on experiments where the electrical pump is changed from a below to an above threshold provide important informations on the laser dynamical response. The turn-on time is de…ned as the time when either the GS or the ES intensity is quickly rising from nearly zero. The laser turn-on time depends on the rate of change of the pump as it has been theoretically predicted [9, 10] and experimentally con…rmed [11]. The impact of the nonlinear and non-instantaneous capturing of the carriers into a dot on the laser turn-on dynamics has recently been investigated for QD lasers operating at the GS transition [13][14][15]. But the turn-on e¤ects for QD lasers exhibiting both the GS and ES transitions remain currently unexplored.In this paper, the QD laser turn-on is analyzed, experimentally and theoretically, when lasing occurs at both GS and ES transitions and the rise-time of the pump source is slow compared to the material and cavity time scales. Slow passages through single bifurcation points are well documented in nonlinear optics [16,17] but slow passages through two successive thresholds are new to the best of our knowledge. Although the second transition is reminescent of a slow passage through a simple steady state bifurcation point, the …rst transition exhibits an unespected time history because some of the population variables need to be activated before the GS intensity may jump.We experimentally …nd that the laser may turn-on with a signi…cant ns delay between the GS and ES emi...

Получение Ультракоротких Мощных Оптических Импульсов От Полупроводниковых Лазеров За Счет Управления Параметрами Токовой Накачки

“…Поэтому получение от таких лазеров мощных импульсов пикосекундной длительности по-прежнему является актуальной задачей. В то же время получение от полупроводниковых лазеров мощных пикосекундных импульсов требует применения импульсного режима накачки, что приводит к влиянию на их Ватт-амперную характеристику сложных динамических эффектов, таких как нетемпературное насыщение усиления [6], задержка включения лазера как с основного, так и с возбуждeн-ного квантового состояния [7,8], срыв генерации [9,10], переключение генерации с основного на возбужденное состояние в процессе развития импульса [11] и др.Настоящая работа посвящена экспериментальному ис-следованию характеристик выходного оптического из-лучения, в частности, обострению выходных импульсов промышленных полупроводниковых лазеров при накач-ке мощными токовыми импульсами наносекундной и субнаносекундной длительности с частотой повторения 1−10 kHz с целью получения от них мощных оптических импульсов пикосекундной длительности. Для формиро-вания импульсов тока использовался генератор на ос-нове мощных быстродействующих полупроводниковых ключей, подробное описание которых приведено в рабо-те [12], а применение для накачки полупроводниковых лазеров представлено в [13].…”

“…Поэтому получение от таких лазеров мощных импульсов пикосекундной длительности по-прежнему является актуальной задачей. В то же время получение от полупроводниковых лазеров мощных пикосекундных импульсов требует применения импульсного режима накачки, что приводит к влиянию на их Ватт-амперную характеристику сложных динамических эффектов, таких как нетемпературное насыщение усиления [6], задержка включения лазера как с основного, так и с возбуждeн-ного квантового состояния [7,8], срыв генерации [9,10], переключение генерации с основного на возбужденное состояние в процессе развития импульса [11] и др.…”