Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de photonique et d'électronique quantiques IPEQ

Study of vertical coupled-cavity laser structures

Badilita, Vlad ; Ilegems, Marc (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3118.

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    Summary
    This thesis addresses general aspects of the operation of a coupled-cavity vertical surface-emitting laser (CC-VCSEL) which consists of two active cavities optically coupled and independently electrically pumped. The first two chapters of the thesis deal with a general introduction to the VCSEL field, including some historical aspects and a summary of the theory of semiconductor lasers. We also provide with an introduction in the theory of semiconductor lasers with special emphasis on VCSELs. In the following three chapters we present our experimental characterization results on CC-VCSELs and their theoretical interpretation. Two models are developed which together provide a powerful toolbox for the design and characterization of CC-VCSELs. The lumped-mirror model has as a starting point only the optical characteristics of the CC-VCSEL structure. Considering these input parameters, i.e. the reflectivity of the coupling mirror and the detuning between the two cavities, the model provides two important results: the position of the resonant modes of the structure and the confinement coefficients that characterize the degree of localization of each mode in each cavity respectively. The lumped-mirror model is a reliable way to determine these parameters, which are specific to coupled-cavity VCSELs, as these results are in a good agreement with the ones provided by the well-established calculation procedure based on the matrix transfer method. The rate-equation model completes the previously exposed lumped-mirror model considering also the electrical injection, independent for each cavity. The operation of the coupled-cavity device is described starting from simple, intuitive arguments, developing the rate-equations for both the number of carriers in each cavity, and the number of photons in each of the two optical modes. Analyzing the resulting system in steady-state conditions, we identify the different working regimes of the device, in an excellent agreement with the experimental data. We introduce a notion specific to the CC-VCSEL, i.e. the "double-threshold point" where both optical modes start lasing. In analogy with the classical one-cavity device, we show that, in the case of the CC-VCSEL, the complete clamping of carrier densities and gain coefficients takes place only in the regime where the device emits two modes simultaneously, i.e. the "dual-wavelength lasing mode", while in the regime where the device lases on only one mode, i.e. the "single-wavelength lasing mode", the carrier densities in the two cavities, and consequently the gain coefficients, may vary, the only constraint being the need to satisfy the threshold equation for the corresponding lasing mode. In the characterization of the CC-VCSEL, we also address the polarization behavior under special bias conditions. We investigate the state of polarization of the light emitted from the top cavity under direct bias while the bottom cavity is reverse biased. Also, the effect of the reverse bias of one cavity on the light output from the other cavity is examined. For this purpose, the quantum confined Stark effect is evaluated and we show how the modification of the absorption as a result of the reverse applied electric field is integrated in the rate-equation model. The field of multisection optoelectronic devices is already well-established if we refer to edge-emitting lasers (EELs) where new functionalities and performance improvements have been achieved by using the concept of multicavity devices. At present, the application of these concepts to multicavity VCSELs as described in this work is just emerging but should prove equally interesting and challenging. The coupled-cavity VCSEL structure not only exhibits an interesting and rich physics making it interesting from the academic point of view, but we believe that CC-VCSELs capable of wavelength selection and/or wavelength tuning will be indispensable component for the emerging dense wavelength multiplexing data communication systems, while an emerging application of polarization switching is the data routing in optical data communication systems, therefore attributing to the CC-VCSEL device an important role in the photonics revolution.
    Résumé
    Cette thèse présente les aspects généraux du fonctionnement d'un laser à cavités verticales couplées (CC-VCSEL). Ce type de laser à cavité verticale (VCSEL) comprend deux cavités actives couplées optiquement, chacune d'elles étant pompée électriquement et de manière indépendante. Les deux premiers chapitres du mémoire sont une introduction générale aux VCSELs, incluant des aspects historiques et un résumé bref de la théorie des lasers à semi-conducteurs mettant en avant les particularités des VCSELs. Les trois chapitres suivants présentent des mesures expérimentales sur des CC-VCSELs avec leur interprétation théorique. Nous avons développé deux modèles complémentaires qui fournissent un ensemble d'outils bien adaptés pour la conception et la caractérisation de CC-VCSELs. Le modèle des mirroirs virtuels décrit les caractéristiques purement optiques d'une structure CC-VCSEL. A partir de deux valeurs d'entrée, à savoir la réflectivité du miroir de couplage et l'écart d'épaisseur entre les cavités, ce modèle calcule deux paramètres importants : la longueur d'onde des modes résonants dans la structure et les coefficients de confinement qui évaluent les degrés de localisation de chaque mode dans chaque cavité. Le modèle des miroirs virtuels est fiable pour déterminer ces paramètres qui sont spécifiques aux VCSEL à cavités couplées. Ses prédictions sont en accord avec celles qui sont obtenues par les méthodes bien établies basées sur la technique des matrices de transfert. Le modèle des équations de bilan complète celui des miroirs virtuels, et prend en compte l'injection électrique, indépendante pour chaque cavité. Le fonctionnement du VCSEL à cavités couplées est décrit à partir d'arguments simples et intuitifs, en écrivant des équations de bilan pour le nombre des porteurs dans chaque cavité et pour le nombre des photons pour chaque mode optique. En analysant le système résultant dans des conditions stationnaires, on identifie les différents régimes de fonctionnement du composant, ceci en très bon accord avec les données expérimentales. Nous introduisons une notion spécifique au CC-VCSEL: le «point de double seuil» pour lequel les deux modes optiques commencent à laser. En comparaison avec le comportement d'un laser classique, nous montrons que dans le cas d'un CC-VCSEL le verrouillage des densités de porteurs et des gains n'a lieu que dans un régime où le dispositif émet deux longueurs d'onde en même temps, le régime d'«émission stimulée double». Par contre, quand le dispositif émet une seule longueur d'onde, dans un régime d'«émission stimulée unique», les densités de porteurs et les gains peuvent varier, mais de manière non indépendante, la contrainte étant qu'une équation de seuil soit satisfaite. Nous avons aussi observé expérimentalement que certains régimes d'injection électrique affectent l'état de polarisation de la lumière émise par les CC-VCSELs. Un changement de polarisation à lieu lorsque le courant est injecté en direct dans la diode de la cavité supérieure et qu'une tension en inverse est appliquée sur la diode inférieure. L'effet d'une tension en inverse n'étant pas prise en compte par les modèles précédents, nous nous penchons sur ce cas. Nous évaluons en particulier l'effet Stark quantique et montrons comment intégrer une variation d'absorption due au champ électrique appliqué en inverse dans le modèle des équations de bilan. Le domaine des dispositifs optoélectroniques à sections multiples est déjà bien établi dans le cadre des lasers à émission latérale, où ce type de conception permet des fonctions nouvelles et des performances accrûes. L'application de ce concept aux VCSELs à cavités multiples, comme nous l'avons abordé dans ce travail, n'en est encore qu'à ses débuts, mais on peut prévoir des applications tout aussi intéressantes. L'intérêt dans les VCSELs à cavités couplées n'est pas seulement académique et dû à la richesse de la physique mise en oeuvre. Les CC-VCSELs ont un potentiel pratique dans le domaine des systèmes de communication optique, pour la sélection et le réglage des longueurs d'onde dans les systèmes optiques multiplexés en longueur d'onde, ainsi que pour le routage et la commutation de données codées par polarisation.