Emission characteristics of 1.5 um monolithically integrated master oscillator power amplifiers

Resumen

El presente trabajo es un estudio de las características de emisión de los láseres de semiconductor Master-Oscillator Power-Amplifier (MOPAs) monolíticos para su uso en aplicaciones que requieren simultáneamente alto brillo y alta pureza espectral. Se han estudiado dos tipos de láseres en el rango de emisión comprendido entre 1540 nm y 1580 nm: MOPAs comerciales de dos secciones y MOPAs de tres secciones específicamente diseñados para su uso como emisores en un sistema LIDAR de absorción diferencial. El análisis espectral de los dispositivos de dos secciones reveló la aparición de inestabilidades espectrales indeseadas en un rango amplio de condiciones de inyección. Estas inestabilidades impiden el uso de los MOPAs de dos secciones en aplicaciones que requieren una emisión mono-frecuencia estable. El análisis experimental de esos regímenes de emisión estable e inestable ha sido complementado con un análisis teórico usando un modelo de onda viajera (Travelling Wave model). Ambos análisis permitieron atribuir las inestabilidades espectrales a los efectos dinámicos inducidos por el feedback óptico como consecuencia de la reflectividad residual de la cara de salida, mediados por los efectos de auto-calentamiento y calentamiento cruzado. Los dispositivos de tres secciones mostraron una operación libre de inestabilidades en un amplio rango de condiciones de inyección. Además se demostró la capacidad de estos dispositivos para ser modulados, esencial para la aplicación requerida. Se analizaron las características de emisión en régimen de modulación prestando atención al ensanchamiento espectral inducido por dicha modulación. Se encontraron evidencias de modulación en frecuencia inducida por la modulación de amplitud. Estos efectos de modulación en frecuencia han sido atribuidos a los cambios en el índice de refracción inducidos por la modulación de los portadores, que a su vez están inducidos por la propia modulación de corriente. -------------------------------------------------------------------------------ABSTRACT ----------------------------------------------------------------------------------------

The present work is a study of the emission characteristics of monolithic semiconductor Master Oscillator Power Amplifiers (MOPAs) relevant for their use in applications requiring simultaneously high brightness and high spectral purity semiconductor laser sources. Two types of laser devices with wavelengths ranging between 1540 nm and 1580 nm have been studied: Commercial two-section MOPAs and three-section MOPAs specially designed for their use as optical sources for Differential Absorption LIDAR. The spectral analysis of the behavior of the two-section MOPAs revealed the occurrence of undesired spectral instabilities in large ranges of driving conditions precluding their use in applications requiring stable and narrow linewidth emission. A detailed experimental analysis of the stable and unstable emission regimens has been complemented with a theoretical analysis using a Travelling Wave model. From both approaches the instabilities have been attributed to dynamic effects induced by the optical feed-back allowed by the unavoidable residual reflectivity of the front facet and mediated by self- and cross-heating effects. The three-section MOPAs have been demonstrated to be free of spectral instabilities in a large range of driving conditions. The operation of these devices under the modulation conditions required for the intended application has been demonstrated. Their emission characteristics under modulation have been analyzed paying special attention to the modulation induced spectral broadening. Evidence of a frequency modulation contribution to the broadening has been shown. The frequency modulation induced by the modulation amplitude has been attributed to the refractive index changes induced by the carrier density modulation, induced in turn by the modulating current.