Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1571-1580 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:0198700220110157100

Comportement dynamique des lasers semiconducteurs en régime de modulation directe

E. Hemery et J.-M. Lourtioz

Institut d'Electronique Fondamentale, Laboratoire associé au CNRS, UA 022 Université Paris-Sud, Bâtiment 220, 91405 Orsay Cedex, France

Abstract
A detailed study of the dynamic response of directly modulated semiconductor lasers is presented. The non-linearity of the gain is included in the laser equations. A performing numerical simulation method allows us to present the results in the form of bifurcation diagrams in the 3d space of modulation parameters. It is shown that the occurrence of unstable behaviours is directly related to the laser damping coefficient. Concerning InGaAsP lasers which generally exhibit strong damping, a simple periodic response is mostly predicted. Nevertheless, oscillation relaxations may occur within a single periode at low modulation frequencies. For AsGa lasers which exhibit a weakest damping period doubling may occur either at low or high modulation frequencies. In contrast, a chaotic behaviour seems to be excluded for realistic values of the laser parameters.

Résumé
Une étude détaillée des comportements dynamiques des lasers à semiconducteurs modulés en courant est présentée. La non-linéarité du gain est prise en compte dans les équations laser. Une méthode de résolution numérique performante permet de donner les résultats sous forme de diagrammes de bifurcation dans l'espace 3d des paramètres de modulation. Il est montré que la possibilité de comportements instables est directement liée au facteur d'amortissement du laser. En ce qui concerne les lasers InGaAsP dont l'amortissement est généralement élevé, il est essentiellement prédit un comportement périodique simple. Des oscillations de relaxation peuvent néanmoins se manifester à basse fréquence de modulation. En ce qui concerne les lasers AsGa à plus faible amortissement, des doublements de période sont possibles, soit à basse ou à haute fréquence de modulation. En revanche, un comportement chaotique semble exclu pour des valeurs réalistes de paramètres-laser.

PACS
4255P - Lasing action in semiconductors.
4260F - Laser beam modulation, pulsing and switching: mode locking and tuning.
4320J - Semiconductor lasers.

Key words
laser theory -- optical modulation -- semiconductor junction lasers -- gain nonlinearity -- instabilities -- dynamic response -- directly modulated semiconductor lasers -- numerical simulation -- bifurcation diagrams -- laser damping coefficient -- oscillation relaxations -- period doubling -- InGaAsP lasers -- GaAs lasers