Abstract

Transverse-mode competition and polarization selection in gain-guided vertical-cavity surface-emitting lasers are studied by use of a transverse continuous model that incorporates basic physical mechanisms of polarization dynamics. Polarization stability and polarization switching within the fundamental Gaussian mode are described. The first-order transverse mode always starts lasing orthogonally polarized to the fundamental one. At larger currents polarization coexists with several active transverse modes. These results are shown to be sensitive to the carrier spin-flip relaxation rate.

© 1997 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
    [Crossref]
  2. F. Koyama, K. Morito, and K. Iga, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1410 (1991).
    [Crossref]
  3. Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
    [Crossref]
  4. M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
    [Crossref]
  5. K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
    [Crossref]
  6. J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
    [Crossref]
  7. K. D. Choquette, D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett. 64, 2062 (1994).
    [Crossref]
  8. U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
    [Crossref]
  9. J. Martín-Regalado, M. San Miguel, N. B. Abraham, and F. Prati, Opt. Lett. 21, 351 (1996); “Polarization properties of vertical cavity surface emitting lasers,” IEEE J. Quantum Electron. (to be published); J. Martín-Regalado, F. Prati, M. San Miguel, and N. B. Abraham, Proc. SPIE 2693, 213 (1996).
    [Crossref]
  10. M. San Miguel, Q. Feng, and J. V. Moloney, Phys. Rev. A 52, 1728 (1995).
    [Crossref] [PubMed]
  11. J. Martín-Regalado, G. H. M. van Tartwijk, S. Balle, and M. San Miguel, Phys. Rev. A 54, 5386 (1996).
    [Crossref]
  12. A. K. Jansen van Doorn, M. P. van Exter, and J. P. Woerdman, Electron. Lett. 30, 1941 (1994).
    [Crossref]

1996 (4)

M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
[Crossref]

U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
[Crossref]

J. Martín-Regalado, M. San Miguel, N. B. Abraham, and F. Prati, Opt. Lett. 21, 351 (1996); “Polarization properties of vertical cavity surface emitting lasers,” IEEE J. Quantum Electron. (to be published); J. Martín-Regalado, F. Prati, M. San Miguel, and N. B. Abraham, Proc. SPIE 2693, 213 (1996).
[Crossref]

J. Martín-Regalado, G. H. M. van Tartwijk, S. Balle, and M. San Miguel, Phys. Rev. A 54, 5386 (1996).
[Crossref]

1995 (3)

M. San Miguel, Q. Feng, and J. V. Moloney, Phys. Rev. A 52, 1728 (1995).
[Crossref] [PubMed]

K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
[Crossref]

J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
[Crossref]

1994 (2)

K. D. Choquette, D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett. 64, 2062 (1994).
[Crossref]

A. K. Jansen van Doorn, M. P. van Exter, and J. P. Woerdman, Electron. Lett. 30, 1941 (1994).
[Crossref]

1993 (1)

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

1991 (2)

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

F. Koyama, K. Morito, and K. Iga, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1410 (1991).
[Crossref]

Abraham, N. B.

Asom, M. T.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Balle, S.

J. Martín-Regalado, G. H. M. van Tartwijk, S. Balle, and M. San Miguel, Phys. Rev. A 54, 5386 (1996).
[Crossref]

Chang-Hasnain, C. J.

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

Choquette, K. D.

K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
[Crossref]

K. D. Choquette, D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett. 64, 2062 (1994).
[Crossref]

Dagenais, M.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Ebeling, K. J.

U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
[Crossref]

Feng, Q.

M. San Miguel, Q. Feng, and J. V. Moloney, Phys. Rev. A 52, 1728 (1995).
[Crossref] [PubMed]

Fiedler, U.

U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
[Crossref]

Florez, L. T.

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

Focht, M. W.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Guth, G. D.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Harbison, J. P.

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

Hasnain, G.

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

Hendriks, R. F. M.

M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
[Crossref]

Iga, K.

F. Koyama, K. Morito, and K. Iga, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1410 (1991).
[Crossref]

Jansen van Doorn, A. K.

M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
[Crossref]

A. K. Jansen van Doorn, M. P. van Exter, and J. P. Woerdman, Electron. Lett. 30, 1941 (1994).
[Crossref]

Jiang, S.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Ju, Y. G.

J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
[Crossref]

Kojima, K.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Koyama, F.

F. Koyama, K. Morito, and K. Iga, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1410 (1991).
[Crossref]

Lear, K. L.

K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
[Crossref]

Lee, Y. H.

J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
[Crossref]

Leibenguth, R. E.

K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
[Crossref]

K. D. Choquette, D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett. 64, 2062 (1994).
[Crossref]

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Martín-Regalado, J.

Moloney, J. V.

M. San Miguel, Q. Feng, and J. V. Moloney, Phys. Rev. A 52, 1728 (1995).
[Crossref] [PubMed]

Morgan, R. A.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Morito, K.

F. Koyama, K. Morito, and K. Iga, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1410 (1991).
[Crossref]

Pan, Z. G.

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

Prati, F.

Reiner, G.

U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
[Crossref]

Richie, D. A.

K. D. Choquette, D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett. 64, 2062 (1994).
[Crossref]

San Miguel, M.

Schneider, R. P.

K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
[Crossref]

Schnitzer, P.

U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
[Crossref]

Ser, J. H.

J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
[Crossref]

Shin, J. H.

J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
[Crossref]

Stoffel, N. G.

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

van Exter, M. P.

M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
[Crossref]

A. K. Jansen van Doorn, M. P. van Exter, and J. P. Woerdman, Electron. Lett. 30, 1941 (1994).
[Crossref]

van Tartwijk, G. H. M.

J. Martín-Regalado, G. H. M. van Tartwijk, S. Balle, and M. San Miguel, Phys. Rev. A 54, 5386 (1996).
[Crossref]

Von Lehmen, A. C.

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

Woerdman, J. P.

M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
[Crossref]

A. K. Jansen van Doorn, M. P. van Exter, and J. P. Woerdman, Electron. Lett. 30, 1941 (1994).
[Crossref]

Appl. Phys. Lett. (3)

Z. G. Pan, S. Jiang, M. Dagenais, R. A. Morgan, K. Kojima, M. T. Asom, R. E. Leibenguth, G. D. Guth, and M. W. Focht, Appl. Phys. Lett. 63, 2999 (1993).
[Crossref]

J. H. Ser, Y. G. Ju, J. H. Shin, and Y. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 66, 2769 (1995).
[Crossref]

K. D. Choquette, D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett. 64, 2062 (1994).
[Crossref]

Electron. Lett. (1)

A. K. Jansen van Doorn, M. P. van Exter, and J. P. Woerdman, Electron. Lett. 30, 1941 (1994).
[Crossref]

IEEE J. Quantum Electron. (2)

C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, G. Hasnain, A. C. Von Lehmen, L. T. Florez, and N. G. Stoffel, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1402 (1991); H. Li, T. L. Lucas, J. G. McInerney, and R. A. Morgan, Chaos Solitons Fractals 4, 1619 (1994).
[Crossref]

F. Koyama, K. Morito, and K. Iga, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1410 (1991).
[Crossref]

IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. (1)

K. D. Choquette, R. P. Schneider, K. L. Lear, and R. E. Leibenguth, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 1, 661 (1995).
[Crossref]

IEEE Photon. Technol. Lett. (1)

U. Fiedler, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett. 8, 746 (1996).
[Crossref]

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. A (2)

M. San Miguel, Q. Feng, and J. V. Moloney, Phys. Rev. A 52, 1728 (1995).
[Crossref] [PubMed]

J. Martín-Regalado, G. H. M. van Tartwijk, S. Balle, and M. San Miguel, Phys. Rev. A 54, 5386 (1996).
[Crossref]

Proc. SPIE (1)

M. P. van Exter, A. K. Jansen van Doorn, R. F. M. Hendriks, and J. P. Woerdman, Proc. SPIE 2693, 202 (1996).
[Crossref]

Cited By

OSA participates in Crossref's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Light–intensity (L–I) characteristics for the linearly xˆ (solid) and yˆ (dashed) polarizations for VCSEL A. Assuming a quantum efficiency of 100%, a 1.5-µm cavity length, each unit in the y axis corresponds to 14 mW of output power. Instantaneous transverse near-field profiles are shown at the indicated points. The plotted area corresponds to a square of 10 µm×10 µm. The inset shows the Maxwell–Bloch two-level gain spectrum and the location of the linearly polarized TEM00 modes for the set of parameters chosen. The gain difference between the two orthogonally polarized modes is 0.053γe.

Fig. 2
Fig. 2

Same as in Fig. 1 but for VCSEL B. Each unit in the vertical axis corresponds to 9 mW.

Fig. 3
Fig. 3

Optical spectra of the field components Ex (solid curves) and Ey (dashed curves) for fixed current values: (a) I=1.29Ith, (b) I=1.67Ith, (c) I=1.87Ith, (d) I=2.26Ith. The insets show the spatially resolved near-field patterns at the labeled peaks (transverse modes).

Equations (4)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

tE±x,y;t=-κ1-iαE±+P±+ic22Ωne22E±-γa+iγpE,
tP±x,y;t=-γ1+iαP±±γaN+n-N0×E±+βN±n1/2χ±x,y;t,
tNx,y;t=Cx,y-γeN+D2N-E+P+*+E-P-*+c.c.,
tnx,y;t=-γsn+D2n-E+P+*-E-P-*+c.c.,

Metrics