DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-02-26-36
Параметрическое исследование переходных характеристик лазерных диодов с распределённой обратной связью
Hisham Kadhum Hisham1*, Siti Barirah Ahmad Anas2, Muhammad Hafiz Abu Bakar3, Mohammed Thamer Alresheedi4, Ahmad Fauzi Abas5, Mohd Adzir Mahdi6
1Electrical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Basrah, Basrah, Iraq
2, 3, 6Wireless and Photonics Networks Research Centre, Faculty of Engineering, Universiti Putra Malaysia, UPM Serdang, Selangor, Malaysia
4, 5Department of Electrical Engineering, College of Engineering, King Saud University, Kingdom of Saudi Arabia
1Hisham.hashim@uobasrah.edu.iq http:// orcid.org/0000-0002-2182-7395
2barirah@upm.edu.my http:// orcid.org/ 0000-0002-5783-3981
3mhab@upm.edu.my http:// orcid.org/ 0000-0003-2113-4553
4malresheedi@ksu.edu.sa http:// orcid.org/ 0000-0003-4346-4983
5fauzi@yahoo.com http:// orcid.org/ 0000-0003-2672-8334
6mdadzir@gmail.com http:// orcid.org/ 0000-0002-2843-181X
Аннотация
Предмет исследования. Особенности переходной характеристики лазера с распределённой обратной связью. Цель исследования. Оптимизация параметров лазера на основе анализа влияния на длительность переходного процесса: тока инжекции лазера, уровня смещения постоянного тока, коэффициента усиления. Метод. Компьютерное моделирование процессов генерации излучения лазером. Исследовалось влияние тока инжекции лазера, изменения температуры, уровня смещения постоянного тока и коэффициента усиления на время переходного процесса. Основные результаты. Установлено, что время переходного процесса уменьшается при увеличении отношения (ток генерации/пороговый ток), при этом период релаксационных колебаний и временно€й задержки выхода лазера на рабочий режим уменьшается при увеличении тока инжекции, уровня смещения постоянного тока и коэффициента усиления. При значительном увеличении температуры время переходного процесса также увеличивается, что приводит к нарушению нормального функционирования исследуемого лазера. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют оптимизировать параметры лазерного диода с обратной связью по критерию уменьшения времени переходного процесса.
Ключевые слова: лазерные диод, полупроводник, множественная квантовая яма, ступенчатое легирование
Благодарность: эта работа была частично профинансирована Министерством высшего образования Малайзии в рамках программы грантов на фундаментальные исследования (FRGS/1/2020/ TK0/UPM/02/10) и Университетом короля Сауда, Королевство Саудовская Аравия в рамках проекта поддержки исследователей номер (RSP-2021/336).
Ссылка для цитирования: Hisham Kadhum Hisham, Siti Barirah Ahmad Anas, Muhammad Hafiz Abu Bakar, Mohammed Thamer Alresheedi, Ahmad Fauzi Abas, Mohd Adzir Mahdi. Parametric study of the transient period characteristics of distributed feedback laser diodes (Повышение производительности лазерного диода коротковолнового ультрафиолетового излучения на основе AlGaN с помощью низколегированного двухступенчатого волновода) [ на англ. языке] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 26–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-26-36
Код OCIS: 140.0140.
Hisham Kadhum Hisham1*, Siti Barirah Ahmad Anas2, Muhammad Hafiz Abu Bakar3, Mohammed Thamer Alresheedi4, Ahmad Fauzi Abas5, Mohd Adzir Mahdi6
1Electrical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Basrah, Basrah, Iraq
2, 3, 6Wireless and Photonics Networks Research Centre, Faculty of Engineering, Universiti Putra Malaysia, UPM Serdang, Selangor, Malaysia
4, 5Department of Electrical Engineering, College of Engineering, King Saud University, Kingdom of Saudi Arabia
1Hisham.hashim@uobasrah.edu.iq http:// orcid.org/0000-0002-2182-7395
2barirah@upm.edu.my http:// orcid.org/ 0000-0002-5783-3981
3mhab@upm.edu.my http:// orcid.org/ 0000-0003-2113-4553
4malresheedi@ksu.edu.sa http:// orcid.org/ 0000-0003-4346-4983
5fauzi@yahoo.com http:// orcid.org/ 0000-0003-2672-8334
6mdadzir@gmail.com http:// orcid.org/ 0000-0002-2843-181X
Abstract
Subject of study. The operating response characteristics for distributed feedback laser model has presented. Purpose of the work. A numerical optimization of model parameters is used to reduce the laser transient period by analyzing the effects of the laser injection current, the temperature variation, the dc-bias level, and the gain compression factor on transient period characteristics. Method. The transient period value decreases when the current ratio (i.e. injection current/threshold current) is increased. Main results. Significant reduction is observed in the relaxation oscillation period and the laser turn-on time delay as the effect of increasing the injection current and/or the biasing current. Practical significance. However, varying temperatures resulted in distributed feedback operating in the off-mode region due to increasing the transient period value. Meanwhile, the relaxation oscillation period value is reduced significantly with a faster stabilization period due to the damped sinusoidal oscillations as a result of increasing the e value.
Keywords: distributed feedback diodes, semiconductor lasers, dynamic characteristics, transient response, numerical analysis
Acknowledgment: this work was funded in part by the Ministry of Higher Education Malaysia under the Fundamental Research Grant Scheme (FRGS/1/2020/TK0/UPM/02/10) and the King Saud University, Kingdom of Saudi Arabia under Researchers Supporting Project number (RSP-2021/336).
For citation: Hisham Kadhum Hisham, Siti Barirah Ahmad Anas, Muhammad Hafiz Abu Bakar, Mohammed Thamer Alresheedi, Ahmad Fauzi Abas, Mohd Adzir Mahdi. Parametric study of the transient period characteristics of distributed feedback laser diodes (Повышение производительности лазерного диода коротковолнового ультрафиолетового излучения на основе AlGaN с помощью низколегированного двухступенчатого волновода) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 2. P. 26–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-26-36
OCIS сode: 140.0140
References
1. Chun Yen P., Hao Tien C., Yu Heng H., Wen Cheng H., Fu He H., Tien Chang L., Shu Wei C., Shih Chen C., Chao Hsin W., Hao Chung K. Performance analyses of photonic-crystal surface-emitting laser: Toward high-speed optical communication // Nanoscale Research Letter. 2022. V. 17. № 1. P. 1–10. https://doi.org/ 10.1186/s11671-022-03728-x.
2. Hisham H.K., Abas A.F., Mahdiraji G.A., Mahdi M.A., Noor A.S.M. Relative intensity noise reduction by optimizing fiber grating Fabry–Perot laser parameters // IEEE J. Quantum Electron. 2012. V. 48. № 3. P. 385–393. https://doi.org/ 10.1109/JQE.2011.2181489
3. Hisham H.K., Abas A.F., Mahdiraji G.A., Mahdi M.A., Noor A. Characterization of transient response in fiber grating Fabry–Perot lasers // IEEE Photon. Journal. 2012. V. 4. № 6. P. 2353–2371. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2012.2231957
4. Hisham H.K., Abas A.F., Mahdiraji G.A., Mahdi M.A., Noor A. Characterization of turn-on time delay in a fiber grating Fabry–Perot lasers // IEEE Photon. Journal. 2012. V. 4. 5. P. 1662–1678. https://doi.org/ 10.1109/JPHOT.2012.2214207
5. Hisham H.K. Theory of dispersion reduction in plastic optical gratings fiber // J. Opt. Commun. 2019. V. 42. № 1. P. 65–69. https://doi.org/ 10.1515/joc-2018-0027
6. Dridi V.K., Benhsaien Zhang A.J., Hall T.J. Narrow linewidth 1550 nm corrugated ridge waveguide DFB lasers // IEEE Photon. Techno. Lett. 2014. V. 26. № 12. P. 1192–1195. https://doi.org/ 10.1109/LPT.2014.2318593
7. Slight T.J., Stanczyk S., Watson S., Yadav A., Grzanka S., Rafailov E., Perlin P., Najda S.P., Leszczyński M., Gwyn S., Kelly A.E. Continuous-wave operation of (Al, In) GaN distributed-feedback laser diodes with high-order notched gratings // Appl. Phys. Express. 2018. V. 11. № 11. P. 112701. https://doi.org/ 10.7567/APEX.11.112701
8. Hashimoto J.I., Takagi T., Tato T., Sasaki G., Shigehara M., Murashima K., Shiozaki M., Iwashima T. Fiber-Bragg-grating external cavity semiconductor laser (FGL) module for DWDM transmission // IEEE J. Quantum Electron. 2003. V. 21. № 9. P. 2002–2009. https://doi.org/ 10.1109/JLT.2003.815498
9. Gnauck A.H., Charlet G., Tran P., Winzer P.J., Doerr C.R., Centanni J.C., Burrows E.C., Kawanishi T., Sakamoto T., Higuma K. 25.6-Tb/s WDM transmission of polarization-multiplexed RZ-DQPSK signals // J. Lightwave Technol. 2008. V. 26. № 1. P. 79–84. https://doi.org/10.1109/JLT.2007.912110
10. Loh W., O’Donnell F.J., Plant J.J., Brattain M.A., Missaggia L.J., Juodawlkis P.W. Packaged, high-power, narrow-linewidth slab-coupled optical waveguide external cavity laser (SCOWECL) // IEEE Photon. Technol. Lett. 2011. V. 23. № 14. P. 974–976. https://doi.org/10.1109/LPT.2011.2146245
11. Hisham H.K. Design methodology for reducing RIN level in DFB lasers // Iraqi J. Elect. Electron. Eng. 2016. V. 12. № 2. P. 207–213. https://doi.org/ 10.33762/eeej.2016.118379
12. Liu M.M.K. Principle and applications of optical communication. Chicago: McGraw-Hill, 1996. P. 99–110
13. Agrawal G.P., Dutta N.K. Semiconductor lasers. New York: Van Nostrand Reinhold Company, 1993. 224 p.
14. Hisham H.K. Controlling the Q-Point in distributed feedback lasers using a numerical optimization // Eng. Technol. Journal. 2019. V. 37. № 5. P. 148–156. https://doi.org/ 10.30684/etj.37.5A.1
15. Carroll J., Whiteaway J., Plumb D. Distributed feedback semiconductor lasers. London: IEE-SPIE, 1998. 168 p.
16. Zhang H., Cohen D.A., Chan P., Wong M.S., Mehari S., Becerra D.L., Nakamura S., DenBaars S.P. Continuous-wave operation of a semipolar InGaN distributed feedback blue laser diode with a first-order indium tin oxide surface grating // Opt. Lett. 2019. V. 4. № 12. P. 3106–3109. https://doi.org/ 10.1364/OL.44.003106
17. Kang J.H., Wenzel H., Hoffmann V., Freier E., Sulmoni L., Unger R.S., Einfeldt S., Wernicke T., Kneissl M. DFB laser diodes based on GaN using 10th order laterally coupled surface gratings // IEEE Photon. Technol. Lett. 2018. V. 30. № 3. P. 231–234. https://doi.org/10.1109/LPT.2017.2780446
18. Kang J.H., Wenzel H., Freier E., Hoffmann V., Brox O., Fricke J., Sulmoni L., Matalla M., Stölmacker C., Kneissl M., Weyers M., Einfeldt S. Continuous-wave operation of DFB laser diodes based on GaN using 10th-order laterally coupled surface gratings // Opt. Lett. 2020. V. 45. № 4. P. 935–938. https://doi.org/10.1364/OL.385002
19. Chen N., Nakano Y., Okamoto K., Tada K., Morthier G.I., Baets R.G. Analysis, fabrication, and characterization of tunable DFB lasers with chirped gratings // IEEE J. Sel. Topic Quant. Electron. 1997. V. 3. № 2. P. 541–546. 10.1109/2944.605705
20. Liu G., Zhao G., Sun J., Gao D., Lu Q., Guo W. Experimental demonstration of DFB lasers with active distributed reflector // Opt. Express. 2018. V. 26. № 23. P. 29784–29795. https://doi.org/10.1364/OE.26.029784
21. Zhao G., Sun J., Xi Y., Gao D., Lu Q., Guo W. Design and simulation of two-section DFB lasers with short active-section lengths // Opt. Express. 2016. V. 24. № 10. P. 10590–10598. https://doi.org/10.136/OE.24.010590
22. Zheng W., Taylor G.W. Determination of the photon lifetime for DFB lasers // IEEE J. Quantum Electron. 2007. V. 43. № 4. P. 295–302. https:// doi.org/10.1109889746
23. Cardoza-Avendañoa L., Spirinb V., López-Gutiérreza R.M., López-Mercadob C.A., Cruz-Hernándezb C. Experimental characterization of DFB and FP chaotic lasers with strong incoherent optical feedback // Opt. Laser Technol. 2011. V. 43. № 5. P. 949–955. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2010.12.009
24. Fatadin I., Ives D., Wicks M. Numerical simulation of intensity and phase noise from extracted for CW DFB lasers // IEEE J. Quantum Electron. 2006. V. 42. № 9. P. 934–941. https://doi.org/ 10.1109/JQE.2006.880117
25. Moustafa A., Ellafi A. Large-signal analysis of analog intensity modulation semiconductor lasers // Opt. Laser Technol. 2015. V. 40. № 6. P. 809–819. https://doi.org/10.1016/j
26. Moustafa A., Yamada M. An infinite order perturbation approach to gain calculation in injection semiconductor lasers // J. Appl. Phys. 1998. V. 84. № 6. P. 3004. https://doi.org/10.1063/1.368453
27. Safwat M. Influence of gain suppression on static and dynamic characteristics of laser diodes under digital modulation // Egypt. J. Solids. 2007. V. 30. № 2. P. 237–251. https://doi.org/10.21608/ejs.2007.149043 .
28. Moustafa A., Yamada M., Safwat M. Analysis of semiconductor laser dynamics under gigabit rate modulation // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. № 3. P. 033119. https://doi.org/10.1063/1.2434803
Полный текст
