Моделирование тепловых эффектов на поляризационные переключения в поверхностно излучающих полупроводниковых лазерах

  • Леонид Иванович Буров Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Павел Михайлович Лобацевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Развита феноменологическая модель, описывающая наведенную анизотропию коэффициента усиления поверхностно излучающих полупроводниковых лазеров (VCSEL) для режима поперечной одномодовой генерации в виде полинома второго порядка по степеням плотности инжекционного тока, где коэффициенты разложения являются неявными функциями температуры. Модель основана на анализе данных теоретических и экспериментальных исследований динамики тепловых процессов в VCSEL. Из общего вида зависимостей следует, что в одномодовом режиме работы VCSEL может иметь не более двух точек поляризационного переключения. Работоспособность модели продемонстрирована на базе качественного анализа опубликованных ранее серий экспериментальных данных по температурным зависимостям положения точек поляризационного переключения. Для коротковолновых излучателей такие зависимости являются монотонными и без особых проблем описываются за счет относительного смещения кривых, определяющих анизотропию коэффициентов усиления для ортогональнополяризованных мод. Для длинноволновых VCSEL, данные по которым опубликованы в литературе, ситуация оказывается гораздо более сложной: изменяется не только относительное расположение кривых, но и их «кривизна», связанная с квадратичным членом. При этом оказалось возможным объяснить практически неизменное положение одной из точек поляризационного переключения.

Биографии авторов

Леонид Иванович Буров, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; доцент кафедры общей физики физического факультета

 

Павел Михайлович Лобацевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший преподаватель кафедры общей физики физического факультета

 

Литература

  1. Burov LI, Gorbatsevich AS, Lobatsevich PM. The induced amplification dichroism in surface-emitting semiconductor lasers. Vestnik BGU. Seriya 1, Fizika. Matematika. Informatika. 2016;3:63–70. Russian.
  2. Burov LI, Gorbatsevich AS, Lobatsevich PM. The effect of the orientational anisotropy of VCSEL parameters on the possibility to implement polarization switching. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2018;1:51–57. Russian.
  3. Jadan M, Addasi JS, Burov LI, Gorbatsevich АS, Lobatsevich PM. Polarization switching mechanism in surface-emitting semiconductor lasers. Optik. 2018;158:118–126. DOI: 10.1016/j.ijleo.2017.11.147.
  4. Jadan M, Addasi J, Flaifel MH, Burov LI, Gorbatsevich АS, Lobatsevich PM. The effect of VCSEL intrinsic dynamics on polarization bistability. Results in Physics. 2019;14:102379. DOI: 10.1016/j.rinp.2019.102379.
  5. Jadan M, Burov LI, Gorbatsevich AS, Sokolov ES. Polarization switching in single-mode injection semiconductor laser. Journal of Applied Spectroscopy. 2009;76(5):678–684. DOI: 10.1007/s10812-009-9252-5.
  6. San Miguel M, Feng Q, Moloney JV. Light-polarization dynamics in surface-emitting semiconductor lasers. Physical Review A. 1995;52(2):1728–1739. DOI: 10.1103/PhysRevA.52.1728.
  7. Danckaert J, Nagler B, Albert J, Panajotov K, Veretennicoff I, Erneux T. Minimal rate equations describing polarization switching in vertical-cavity surface-emitting lasers. Optics Communications. 2002;201(1–3):129–137. DOI: 10.1016/S0030-4018 (01)01668-6.
  8. Wang Q, Guan B, Liu K, Liu X, Jiang X, Ma Y, et al. Temperature dependent polarization switch of 850 nm VCSELs with different apertures. Optics and Laser Technology. 2014;63:19–23. DOI: 10.1016/j.optlastec.2014.03.001.
  9. Quirce A, Valle A, Pesquera L, Thienpont H, Panajotov K. Measurement of temperature-dependent polarization parameters in long wavelength VCSELs. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2015;21(6):1800207. DOI: 10.1109/JSTQE.2015.2410260.
  10. Valle A, Shore KA, Pesquera L. Polarization selection in birefringent vertical-cavity surface emitting lasers. Journal of Lightwave Technology. 1996;14(9):2062–2068. DOI: 10.1109/50.536974.
  11. Yu SF. Analysis and design of vertical­cavity surface­emitting lasers. New Jersey: Wiley; 2003. 464 p.
  12. Michalzik R. VCSEL fundamentals. In: Michalzik R, editor. VCSELs. Fundamentals, technology and applications of verticalcavity surface­emitting lasers. Berlin: Springer; 2013. p. 19–75 (Springer series in optical sciences; volume 166). DOI: 10.1007/978-3-642-24986-0_2.
  13. Travagnin M. Linear anisotropies and polarization properties of vertical-cavity surface-emitting semiconductor lasers. Physical Review A. 1997;56(5):4094–4105. DOI: 10.1103/PhysRevA.56.4094.
  14. van Doom AKJ, van Exter MP, Woerdman JP. Strain-induced birefringence in vertical-cavity semiconductor lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1998;34(4):700–706. DOI: 10.1109/3.663454.
  15. van Exter MP, van Doom AKJ, Woerdman JP. Electro-optic effect and birefringent in semiconductor vertical-cavity lasers. Physical Review A. 1997;56(1):845–853. DOI: 10.1103/PhysRevA.56.845.
  16. Hendriks RFM, van Exter MP, Woerdman JP, van Geelen A, Weegels L, Gulden KH, et al. Electro-optic birefringent in semiconductor vertical-cavity lasers. Applied Physics Letters. 1997;71(18):2599–2601. DOI: 10.1063/1.119340.
  17. Ning CZ, Moloney JV. Thermal effects on the threshold of vertical-cavity surface-emitting lasers: first- and second-order phase transitions. Optics Letters. 1995;20(10):1151–1153. DOI: 10.1364/OL.20.001151.
  18. Liu Y, Ng W-C, Choquette KD, Hess K. Numerical investigation of self-heating effects of oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2005;41(1):15–25. DOI: 10.1109/JQE.2004.839239.
  19. Willemsen MB, Khalid MUF, van Exter MP, Woerdman JP. Polarization switching of a vertical-cavity semiconductor laser as a Kramers hopping problem. Physical Review Letters. 1999;82(24):4815. DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.4815.
  20. Coldren LA, Corzine SW. Diode lasers and photonic integrated circuits. New York: Wiley; 1995. 624 p.
  21. Yamada M. Theory of semiconductor lasers. Tokyo: Springer; 2014. 241 p. DOI: 10.1007/978-4-431-54889-8.
  22. Burak D, Moloney JV, Binder R. Microscopic theory of polarization properties of optically anisotropic vertical-cavity surface-emitting lasers. Physical Review A. 2000;61(5):053809. DOI: 10.1103/PhysRevA.61.053809.
  23. Van der Sande G, Peeters M, Veretennicoff I, Danckaert J, Verschaffelt G, Balle S. Effects of stress, temperature, and spin flips on polarization switching in vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2006;43(9):896–906. DOI: 10.1109/JQE.2006.879816.
  24. Baveja PP, Kögel B, Westbergh P, Gustavsson JS, Haglund A, Maywar DN, et al. Assessment of VCSEL thermal rollover mechanisms from measurements and empirical modeling. Optics Express. 2011;19(16):15490–15505. DOI: 10.1364/OE.19.015490.
  25. Zhang J-P. The dynamic properties and stability analysis for vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1995;31(12):2127–2132. DOI: 10.1109/3.477737.
  26. Balle S, Tolkachova E, San Miguel M, Tredicce JR, Martin-Regalado J, Gahl A. Mechanisms of polarization switching in single-transverse-mode vertical-cavity surface-emitting lasers: thermal shift and nonlinear semiconductor dynamics. Optics Letters. 1999;24(16):1121–1123. DOI: 10.1364/OL.24.001121.
  27. Sondermann M, Weinkath M, Ackemann T, Mulet J, Balle S. Two-frequency emission and polarization dynamics at lasing threshold in vertical-cavity surface-emitting lasers. Physical Review A. 2003;68(3):033822. DOI: 10.1103/PhysRevA.68.033822.
  28. Chen C, Leisher PO, Allerman AA, Geib KM, Choquette KD. Temperature analysis of threshold current in infrared vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2006;42(10):1078–1083. DOI: 10.1109/JQE.2006.881828.
  29. Masoller C, Torre MS. Modeling thermal effects and polarization competition in vertical-cavity surface-emitting lasers. Optics Express. 2008;16(26):21282–21296. DOI: 10.1364/OE.16.021282.
  30. Goobar E, Mahon C, Peters FH, Peters MG, Coldren LA. Low-temperature operation of vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Photonics Technology Letters. 1995;7(1):7–9. DOI: 10.1109/68.363393.
  31. Kuo W-C, Wu Y-H, Li Y-C, Yen T-C. Criticalities and phase transition in the polarization switching of vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Photonics Technology Letters. 2012;24(24):2262–2264. DOI: 10.1109/LPT.2012.2226572.
  32. Ryvkin B, Panajotov K, Georgievski A, Danckaert J, Peters M, Verschaffelt G, et al. Effect of photon-energy-dependent loss and gain mechanisms on polarization switching in vertical-cavity surface-emitting lasers. Journal of the Optical Society of America B. 1999;16(11):2106–2113. DOI: 10.1364/JOSAB.16.002106.
  33. Dabbicco M, Spagnolo V, Scamarcio G. 2-D temperature mapping of vertical-cavity surface-emitting lasers determined by microprobe electroluminescence. IEEE Photonics Technology Letters. 2002;14(3):266–268. DOI: 10.1109/68.986781.
  34. Quirce A, Valle A, Pesquera L, Panajotov K, Thienpont H. Effect of temperature on polarization switching in long-wavelength VCSELs. SPIE Conference Proceedings. 2015;9381:93810X. DOI: 10.1117/12.2079742.
  35. Torre MS, Masoller C. Dynamical hysteresis and thermal effects in vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2010;46(12):1788–1794. DOI: 10.1109/JQE.2010.2046139.
  36. Burov LI, Gorbatsevich AS, Sokolov ES. Spectral-polarization radiation composition of surface-emitting semiconductor lasers in polarization instability region. In: Poluprovodnikovye lazery i sistemy na ikh osnove. 10­i Belorussko­rossiiskii seminar; 26–29 maya 2015 g.; Minsk, Belarus’ [Semiconductor lasers and systems. 10th Belarusian-Russian workshop; 2015 May 26–29; Minsk, Belarus]. Minsk: Kovcheg; 2015. p. 173–175. Russian.
  37. Bittner S, Sciamanna M. Complex nonlinear dynamics of polarization and transverse modes in a broad-area VCSEL. APL Photonics. 2022;7:126108. DOI: 10.1063/5.0104852.
  38. Apanasevich AV, Petrenko AA, Bougrov VE. Polarization instabilities in vertical-cavity surface-emitting lasers. Reviews on Advanced Materials and Technologies. 2022;4(1):9–13. DOI: 10.17586/2687-0568-2022-4-1-9-13.
Опубликован
2024-06-04
Ключевые слова: поляризационное переключение, поверхностно излучающий полупроводниковый лазер, VCSEL, анизотропия, температурная зависимость точек поляризационного переключения
Как цитировать
Буров, Л. И., & Лобацевич, П. М. (2024). Моделирование тепловых эффектов на поляризационные переключения в поверхностно излучающих полупроводниковых лазерах. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 20-29. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6261
Выпуск
№ 2 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Лазерная физика

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).