MISURA DEL FATTORE DI ALLARGAMENTO DI RIGA DI LASER A

MISURA DEL FATTORE DI ALLARGAMENTO DI RIGA
DI LASER A SEMICONDUTTORE:
ATTIVITÀ ROUND–ROBIN NELL’AMBITO DELL’AZIONE “COST 288”
Guido Giuliani, Nicholas Gibbons, Silvano Donati
Dipartimento di Elettronica, Università di Pavia, Via Ferrata 1, I-27100 Pavia, Italy
e–mail: [email protected]
Asier Villafranca, Javier Lasobras, Ignacio Garces
Photonics Technology Group – University of Zaragoza, PT Walqa, Ed.1, 22197 Cuarte (Huesca) Spain
Marek Chacinski, Richard Schatz
Royal Institute of Technology, , ELECTRUM 229, SE-164 40 Kista-Stockholm, Sweden
Christos Kouloumentas, Dimitrios Klonidis, Ioannis Tomkos
Athens Information Technology Center (AIT), 19,5km Markopoulou Av., 19002, Peania, Greece
Pascal Landais
School of Electronic Engineering, Dublin City University,Dublin 9, Ireland
Raul Escorihuela
Aragon Photonics Labs S.L., c/ Prado 5 local, 50009 – Zaragoza, Spain
Judy Rorison, Jose Pozo
, Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Bristol, BS8 1UB, Bristol, U.K.
Andrea Fiore, Pablo Moreno, Marco Rossetti
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Station 3, CH-1015 Lausanne, Switzerland
Wolfgang Elsässer, Jens Von Staden
Technische Universität Darmstadt, Schloßgartenstr. 7, D-64289 Darmstadt, Germany
Guillaume Huyet
Tyndall Institute, National University of Ireland, University College, Cork, Ireland
Mika Saarinen, Markus Pessa, Pirjo Leinonen
Optoelectronics Research Centre, Tampere University of Technology, P.O. Box 692, FI-33101
Tampere, Finland
Ville Vilokkinen
Modulight, Inc., P.O. Box 770, FIN-33101 Tampere, Finland
Marc Sciamanna
SUPELEC - Campus de Metz,2 Rue Edouard Belin, F-57070 Metz, France
Jan Danckaert, Krassimir Panajotov
Department of Applied Physics and Photonics, Vrije Universiteit, Brussel, 1050 Brussels, Belgium
Thomas Fordell, Asa Lindberg
Department of Physical Sciences, University of Helsinki, Helsinki 00014, Finland
Jean-François Hayau, Julien Poette, Pascal Besnard
FOTON-ENSSAT, CNRS UMR 6082 6 rue de Kerampont, 22300 Lannion, France
Frédéric Grillot
FOTON-INSA, 35043 Rennes, France
Mauro F. Pereira
Materials and Engineering Research Institute, Sheffield Hallam University, Sheffield S1 1WB, U.K.
Rikard Nelander, Andreas Wacker
Department of Physics, University of Lund, 22100 Lund, Sweden
Alessandro Tredicucci, Richard Green
NEST – Scuola Normale Superiore Via Della Faggiola, 17/19, 56126 Pisa, Italy
Round-Robin measurements on the linewidth enhancement factor of semiconductor lasers are
carried out in many laboratories participating to EU COST 288 Action. Up to seven different
measuring techniques are applied to DFB, VCSELs, QCL, and QD lasers, and results are
compared.
1.
Introduzione
Nel mercato mondiale delle sorgenti laser, i laser a semiconduttore (LS) hanno di gran lunga i
volumi di vendita maggiori, e trovano applicazioni nei più svariati campi, dalla lettura/scrittura
di dischi ottici, alla sensoristica, alle telecomunicazioni ottiche. Lo sviluppo delle tecniche di
misura optoelettroniche ha consentito di indagare nel dettaglio le caratteristiche ed i
meccanismi di funzionamento dei LS, favorendo la progettazione di strutture più efficienti, e la
sperimentazione di nuovi concetti per i LS: dai VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting
Laser), ai QD (Quantum Dot) laser, ai QCL (Quantum Cascade Laser).
Tra i diversi parametri che influenzano il funzionamento dei LS, il “fattore di allargamento di
riga” (linewidth enhancement factor, α–factor, o Henry–factor) [1] risulta di fondamentale
importanza, in quanto è quello che differenzia sostanzialmente il comportamento dei LS
rispetto ai laser a stato solido o a gas. Il fattore α influenza infatti la larghezza di riga di
emissione dei LS, il chirp in schemi a modulazione diretta, la stabilità dei modi longitudinali nei
laser Fabry–Perot, i fenomeni di filamentazione nei laser ad area larga, i fenomeni di iniezione
e di retroiniezione ottica. La definizone del fattore α fu introdotta da C. H. Henry nel 1982 [1],
dopo che diverse misure sulla larghezza di riga di emissione dei SL diedero risultati non in
accordo con la teoria generale di Shawlow–Townes [2].
Il fattore di allargamento di riga è definito come il rapporto tra le derivate parziali della parte
reale ed immaginaria della suscettività complessa χ = χr + iχi rispetto alla densità di portatori N
[1]:
α=−
∂χ r / ∂N
4π dn
=−
⋅
∂χ i / ∂N
λ dg
(1)
Ove dn e dg sono le (piccole) variazioni dell’indice di rifrazione e del guadagno ottico che si
verificano a seguito di una variazione della densità dei portatori.
In generale, un valore piccolo (prossimo allo zero) del fattore α è desiderabile, per ottimizzare
la prestazione di trasmissione di dati in modulazione diretta, o per ottenere una elevata
immunità alle retroriflessioni. I valori calcolati o misurati di α per laser con materiale attivo bulk
o MQW (Multi-Quantum Well) variano nell’intervallo 0.5-8, con valori più comuni dell’ordine di
2-6. Più recentemente, hanno raggiunto un buon livello di maturità laser basati su materiale
attivo Quantum–Dot (QD) e i Quantum Cascade Laser. Per questi tipi di laser il fattore α è in
principio molto prossimo allo zero, poiché le transizioni ottiche che danno origine al guadagno
hanno uno spettro altamente simmetrico, a differenza dei materiali bulk o MQW. Nei materiali
bulk e MQW il fattore α cresce all’aumentare della lunghezza d’onda e della densità dei
portatori. È inoltre interessante studiare l’andamento di α al variare della potenza emessa dal
laser, in quanto alcuni effetti non–lineari (non–linear gain, carrier heating) potrebbero
aumentarne il valore effettivo [3]. Più in generale, si può introdurre la distinzione tra un fattore
α “del materiale” ed uno “del dispositivo”, ove la prima definizione si riferisce in modo formale
alla formula (1), mentre la seconda implica che il funzionamento del laser sopra soglia possa
modificare l’effettivo valore che il fattore α assume allorché questo sia incluso nella rate–
equations [4] che descrivono il funzionamento dei LS.
Dal punto di vista sperimentale, diversa tecniche di misura sono state proposte ed applicate
(ad oggi, nella letteratura scientifica internazionale, più di 120 articoli sono dedicati a questo
specifico argomento), ma la consistenza dei risultati ottenuti utilizzando i diversi metodi di
misura non è mai stata valutata. Rimane tutt’oggi valida la conclusione riportata nell’articolo
del 1987 di Buus e Osinski [5]: “... thus far no attempts have been made to measure α on the
same laser by different methods. Such measurements are likely to provide significant
information both on the actual α value and on the relative merits of the various methods”.
Per i motivi sopra riportati, nell’ambito dell’azione COST 288 “Nanoscale and Ultrafast
Photonics” [6] si è deciso di condurre una campagna di misure con la modalità Round–Robin,
con due obbiettivi principali: 1) confrontare diversi metodi di misura per il fattore di
allargamento di riga applicandoli agli stessi dispositivi laser; 2) valutare l’accuratezza e la
ripetibilità dei diversi metodi, realizzando le misure in sequenza in diversi Laboratori. L’attività
è poi suddivisa in due linee principali: una rivolta alla misura di laser convenzionali per
telecomunicazioni in terza finestra (due laser DFB di alta potenza in package butterfly), ed
una dedicata alla messa a punto ed allo studio dei metodi di misura applicabili a laser non
convenzionali, qualsi VCSEL, laser a QD, QCL.
All’attività Round–Robin, che è coordinata dall’Università di Pavia, partecipano più di 20
diversi Laboratori Europei. L’attività di misura si completerà nella primavera 2007, ed al suo
termine sarà possibile trarre conclusioni sulla attendibilità dei diversi metodi sperimentati.
Nel seguito, verranno descritti i metodi di misura applicati, e riassunti i risultati sperimentali
disponibili all’inizio dell’anno 2007. I risultati definitivi saranno poi pubblicati sul sito web
dell’Azione COST 288 [6].
2.
Round-Robin nell’ambito di COST 288: tecniche di misura sperimentate
Vengono ora elencate le diverse tecniche che sono state applicate per la misura del fattore di
allargamento di riga dei due laser DFB (JDSU CQF935/808, potenza emessa in fibra: 50 mW,
lunghezza d’onda di emissione: 1540 nm).
1. Metodo Hakki–Paoli [7] – Si basa sulla misura diretta della variazione dell’indice di
rifrazione (misurata per mezzo dello spostamento in frequenza delle risonanze Fabry–
Perot) e del guadagno ottico che si osservano in seguito alla variazione della densità di
portatori, causata dall’aumento della corrente di pompaggio del laser dotto soglia. Si tratta
del metodo più utilizzato nella letteratura scientifica, ma è anche quello con le maggiori
incognite, in quanto è applicabile solo sotto soglia.
2. Metodo della larghezza di riga – Si basa sul fatto che la larghezza di riga Δν di un laser SC
è proporzionale al termine (1 + α2), ed in principio possibile ricavare α dalla misura di Δν,
per mezzo della formula (26) di [1]. Rimane però l’incertezza riguardo alla misura di altri
parametri del laser SC sotto misura che compaiono in questa formula.
3. Metodo della larghezza di riga modificato [8] – prevede che la larghezza di riga del laser
sia misurata in funzione della potenza emessa, appena sotto ed appena sopra la soglia. Il
rapporto tra le diverse pendenze della curve così ottenute consente di ricavare α.
4. Metodo FM/AM [9] – Il metodo prevede che la corrente del laser venga modulata con un
piccolo segnale sinusoidale ad alta frequenza (dell’ordine di qualche GHz). Occorre
misurare l’entità delle modulazioni di intensità e di fase così generate, il cui rapporto
dipende dal fattore α.
5. Metodo della funzione di trasferimento della fibra ottica [10] – È una variante del metodo 4
in cui si misura il chirp introdotto modulando direttamente la corrente del laser con un
piccolo segnale a frequenza variabile. La misura si effettua facendo propagare la luce in
una fibra ottica, la cui dispersione trasforma la modulazione di fase in modulazione di
ampiezza, dando origine a degli zeri nella funzione di trasferimento del sistema.
6. Metodo della iniezione ottica [11-12] – Si realizza un classico esperimento di iniezione
ottica master–slave, e si sfrutta l’asimmetria introdotta dal fattore α nei valori della
frequenza di detuning negativi e positivi che delimitano la regione di aggancio. Poiché per i
laser DFB tale assimetria è assente nella zona di aggancio stabile, occorre utilizzare il
metodo descritto in [11] per ricavare α.
7. Metodo della retroiniezione ottica [13] – Si realizza un esperimento di retroiniezione nella
configurazione interferometrica a Self–Mixing, e si estrae il valore del parametro α
analizzando la forma d’onda interferometrica ottenuta, in accordo con le equazioni di Lang–
Kobayashi [14] che descrivono la dinamica di LS in presenza di retroiniezione.
3.
Risultati
Le misure sono state condotte per diversi valori di corrente di polarizzazone (50, 100, 200,
300, 400, 500 mA) per entrambi i laser. Non tutti i metodi sono stati applicati in tutti i
Laboratori, ma è comunque possibile trarre delle conclusioni di validità generale.
L’utilizzatissimo metodo Hakki–Paoli è di difficile applicazione a laser DFB, principalmente
perché non si conosce con esattezza la riflettività residua delle faccette terminali, e ciò vale in
particolare per laser commerciali dei quali non è nota la presenza o meno di strati anti–riflesso
sulle faccette. Questo metodo non è peraltro applicabile a laser VCSEL, poiché la ridottissima
lunghezza di cavità non consente la misura del guadagno. Il metodo FM/AM richiede che la
modulazione avvenga a frequenze superiori alla frequenza di rilassamento del laser, e ciò può
essere di difficile applicazione a certi tipi di laser. Il metodo della funzione di trasferimento
della fibra ottica si è rivelato quello più affidabile e che fornisce risultati più ripetibili, a patto
che la dispersione della fibra venga misurata preventivamente utilizzando un modulatore
Mach–Zehnder privo di chirp, e la potenza lungo la tratta di fibra venga mantenuta al di sotto
di un valore di potenza critico, al di sopra del quale si generano effetti non–lineari che inficiano
la misura (tale potenza si è misurata in circa +3 dBm per una fibra step–index).
Risultati assai interessanti sono stati anche ottenuti per laser non convenzionali. In
particolare, si è mostrato che per i laser QD il metodo FM/AM fornisce valori di α che
aumentano molto all’aumentare della corrente di iniezione, sino a valori superiori a 10, in
contrasto con i risultati del metodo Hakki–Paoli che alla soglia fornisce valori prossimi a 0.
Analogamente, misure condotte su laser QCL con il metodo della retroiniezione ottica hanno
mostrato che il fattore α aumenta all’aumentare della corrente di pompaggio sino a valori
dell’ordine di 2.7 [16], mentre in prossimità della soglia si ha un cambio di segno di α, con
valori molto piccoli. Ciò consente di concludere che molte delle misure condotte sinora su
questo tipo di laser con il metodo Hakki–Paoli hanno un significato limitato.
Ringraziamenti
Questa attività è stata svolta con il contributo dell’Azione COST 288 “Nanoscale and Ultrafast
Photonics”
Bibliografia
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