Both passive and active array analyses have been used to study the index-guided as well as gain-guided laser diode arrays. Some important facts have been found from these numerical results. And multi-section laser diode arrays with three emitters have been proposed to obtain a single-lobe beam in the far-field pattern. This dissertation work can be classified into three parts and is summarized as follows:
[Passive array analysis on the six-channel index-guided arrays]
I have investigated in detail the dependence of supermode discrimination characteristics and radiation angles of laser arrays on channel widths and spacings. The tendency of changes in the supermode discrimination characteristic caused by channel-chirping is quite different from that by spacing-chirping. Therefore the desired supermode discrimination characteristic compromised with the radiation angle can be obtained by chirping both channels and spacings properly. It has been found that the asymmetrically V channel-chirped array has both a smaller radiation angle and better supermode discrimination characteristic than the uniform array.
By selecting a proper gain profile which can be achieved, for example, by using separate laser contacts, we can make the fundamental supermode dominant and moreover obtain the enhanced supermode discrimination characteristic for the index-guided arrays.
Some approaches for obtaining a enhanced modal stability have been studied, comparing their supermode discrimination characteristics and radiation angles one another.
[Active array analysis on the arrays with three emitters]
For pure gain-guiding arrays (assumed antiguiding parameter R=0), the transition from single-lobe to twin-lobe far-field appears to occur at about S (center to center spacing between two emitters)=8 m. But for the actual gain-guided arrays (R=3), the transition appears to occur at about S=6 m which is smaller than that for the R=0 case. This results from the carrier-induced index antiguiding.
In the weak index-guided array, the carrier-induced index antiguding tends to cancel the built-in index step so that the near-and far-fields of this array are similar to those of teh pure gain-guided array.
For index-guided arrays the device behavior is different depending on the amount of gains in the interchannel regions. Net-gain between channels tends to cause to the in-phase coupling of the array.
The near- and far-fields obtained by the passive array analysis are quite different from those obtained by the active array analysis, even though the supermode order lasing at threshold is the same in both cases.
[Multi-section laser diode arrays with three emitters]
Multi-section laser diode arrays have been proposed to improve the supermode discrimination characteristic and reduce the far-field radiation angle. Experimentally, in two types I and II (see Ch. 5) of the multisection gain-guided arrays, single lobe beams have been obtained near thres-hold and maintained up to the current level of $2.5I_{th}$. The numerical results by the active array analysis have proved the enhanced characteristics of the proposed multi-section arrays, which have V or Λ channel-chirped sections for the improved supermode discrimination. The V channel-chirped section near the facet gives narrow radiation angle.
From the numerical results of the pure gain-guiding (R=0) cases, we can guess that in the cases of even week index-guided multi-section arrays, the in-phase coupling occurs unlike the out-of-phase coupling for the week index-guided uniform array.
레이저 어레이를 단순히 수동 도파관으로 보고 해석하는 수동 어레이 해석법(passive array analysis)과, 전자와 정공에 의한 굴절률 변화나 이득효과를 고려하여 해석하는 능동 어레이 해석법(active array analysis)에 의하여 반도체 다이오드 어레이에 대한 이론적 연구를 하였다. 여기에서 얻은 결과를 바탕으로 한개의 돌출부를 갖는 좁은 방사빔을 얻기 위하여, 새로운 구조인 다지역 레이저 어레이(multi-section laser array)를 제안하였으며, 실험적으로 이를 확인하고 또한 능동 어레이 해석법에 의하여 수치 해석을 함으로써 다지역 레이저 어레이의 우수성을 증명하였다. 본 논문의 내용을 세 부분으로 나누어 요약하면 다음과 같다.
\begin{center} [6개의 채널을 갖는 index-guided array에 대한 수동 어레이 해석] \end{center}
채널폭과 채널사이의 간격을 변화시킴으로써 어레이 모드 선별특성과 방사빔의 폭이 어떠한 영향을 받는지 자세히 조사하였으며, 이로 부터 비교적 좋은 특성의 어레이 모드 선별성과 좁은 방사빔을 갖는 어레이로, 비대칭-V 형으로 채널의 폭을 변화시킨 어레이를 제시하였다.
이득의 분포를 적절한 형태로 만들어 주면, 최고차의 어레이 모드가 발진하여 빔 특성이 나쁘던 어레이도 첫번째 어레이 모드가 발진하도록 해줄 수가 있으며, 어레이 모드 선별성도 향상시킬 수 있음을 보였다.
또한 고출력인 상태일수록 어레이 모드의 안정성이 문제가 되는데, 이는 국부적으로 향상된 광의 세기가 spatial hole burning을 발생시켜 다른 어레이 모드가 발진되도록 유도하기 때문이다. 이 문제를 해결하는 몇가지 방법에 대하여, 어레이 모드 선별성과 방사빔의 폭을 변수로 하여 그 우수성을 비교하였다.
\begin{center} [3개의 채널을 갖는 어레이에 대한 능동 어레이 해석] \end{center}
Index-guided array와 gain-guided array에 대하여, 소자의 구조와 변수등을 바꾸어 가면서, 어레이 모드의 발진 특성을 비교연구 하였다. 능동 어레이 해석법과 수동 어레이 해석법은, 최고 이득을 얻는 어레이 모드의 차수에는 같은 결과를 나타내더라도, 광의 세기 분포에는 많은 차이를 보여 주었다.
\begin{center} [3개의 채널을 갖는 다지역 레이저 어레이] \end{center}
위에서 얻은 이론적 결과들로 부터, 어레이 모드 선별성을 향상시키면서 방사빔의 폭을 좁게 해 주기 위하여 다지역 레이저 어레이를 제안하였다. 즉 각 지역은 두 가지 목적을 위하여 적절히 배치될 수 있으며, 특별한 두 가지 형태의 multi-section gain-guided array를 만들어서, $2.5I_{th}$의 전류치까지 한개의 돌출부를 갖는 좁은 빔이 방사됨을 실험적으로 확인하였다. 이는 함께 제작된 균일 어레이의 경우에, 문턱 전류 근방에서 두개의 돌출부를 갖는 방사빔이 나타나며, $2.4I_{th}$로 전류를 증가 시켜줄 때 여러개의 돌출부가 방사 패턴에 나타나면서 빔 특성이 급격히 나빠지는 측정 결과와는 큰 대조를 이룬다.
능동 어레이 해석법에 의하여 수치 해석을 하였으며, 계산 결과가 실험결과와 잘 일치함을 보임으로써 다지역 어레이의 우수성을 증명하였다.
