title: Microscopic Theory of Semiconductor Laser Material Systems
title: Mikroskopische Theorie von Halbleiterlaser Materialsystemen
Creators: name: Berger, Christian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Optisch gepumpter Halbleiterlaser
Physik
Heterostruktur , Optischer Ge
Laser
Type-II
Typ-II
Theoretische Physik
Quantenwell
Physics
Halbleiter , Halbleiterphysik

description: Diese Dissertation fasst die
      Ergebnisse mehrerer Publikationen zu grenzflächendominierten
      Laserstrukturen und Quantenpunktemissionscharakteristiken
      zusammen und erweitert sie an gegebener Stelle. Alle
      Untersuchungen erfolgen mit der Zielsetzung die
      makroskopischen Eigenschaften der Systeme durch
      mikroskopische Theorien zu beschreiben. Ausgehend vom
      Jaynes-Cummings Modell wird eine Erweiterung dieses Modells
      eingeführt. Dies wird zur Untersuchung von Quantenpunkten die
      mehrere zwei-Niveausysteme beherbergen, und sich in einem
      Mikroresonator befinden, genutzt. Des weiteren werden die
      Halbleiter-Blochgleichungen beschrieben, beginnend beim
      Hamiltonoperator zur Beschreibung des physikalischen Systems
      bis hin zur Verknüpfung zu makroskopischen Größen wie
      Absorption und Brechungsindexänderung. Weiterhin werden die
      durch die Quantisierung des Lichtfeldes zu erhaltenden
      Halbleiter-Lumineszenz-Gleichungen vorgestellt. Zum Abschluss
      wird die Berechnung von Photomodulationsspektren unter
      Zuhilfenahme der Halbleiter-Blochgleichungen besprochen. Alle
      theoretischen Ansätze werden angewandt, um umfangreiche
      Experiment-Theorie Vergleiche durchzuführen, und damit das
      physikalische Verständnis von neuartigen
      Lasermaterialsystemen zu bessern. Weiterhin erfolgt die
      systematische Untersuchung eines neuartigen Typ-II
      Lasermaterialsystems. Es erfolgt ein Überblick über die
      Untersuchungen die bisher zu Typ-II band-angeordneten
      "W"-Strukturen durchgeführt wurden und eine Weiterführung.
      Alle Publikationen haben als Fundament das direkte
      Zusammenspiel von Experiment und Theorie. Es erfolgt eine
      allgemeine Einführung in Typ-II Systeme, insbesondere in die
      "W"-Anordnung. Sie werden, unter Anwendung der
      Halbleiter-Blochgleichungen, mit gewöhnlichen Typ-I Systemen
      verglichen. Als Resultat zeigt sich ein temperaturstabileres
      Verhalten und ein spektral breiterer Materialzugewinn. Des
      weiteren reagieren Typ-II Systeme anders auf eine Erhöhung
      der Ladungsträgerdichte, da durch die Ladungsträger das
      Confinement-Potential verändert wird, was zu einer
      Blauverschiebung der Emission führt. Dies resultiert aus der
      Ladungstrennung in die unterschiedlichen Quantenfilme.
      Nachfolgend wird, als wichtiger Bestandteil eine
      Entwicklungsprozesses, der Experiment-Theorie-Vergleich für
      Photolumineszenzspektren von epitaktisch gewachsenen
      "W"-Strukturen gezeigt. Basierend auf den nominellen
      Strukturparametern wird der Materialzugewinn dieser Struktur
      berechnet. Weiterführend werden exzitonische Übergänge und
      ihre räumliche Komponente untersucht, um sie als Typ-II
      Übergang zu identifizieren. Basierend auf den vorherigen
      Untersuchungen wurde ein "W"-VECSEL entworfen, realisiert und
      untersucht. Zusätzlich wird eine ausführliche Analyse der
      Eigenschaften mit Hilfe der mikroskopischen Theorie
      durchgeführt. Die Laserprobe weist in Übereinstimmung von
      Experiment und Theorie einen resonanten Aufbau mit einer
      Emissionswellenlänge von 1180 nm auf. Weiterhin werden die
      Verstimmung vom aktiven Material und dem Resonators, sowie
      die modale Zugewinn bestimmt. Daraus kann geschlossen werden,
      dass in der Probe eine niedrige Laserschwelle vorliegt.
      Type-I Systeme mit einer Emission bei 1180 nm erreichen
      Ausgangsleistungen von 20 W. Hingegen wurde für den
      "W"-VECSEL bisher nur 4 W gemessen. Aus den theoretischen
      Analysen wird geschlossen, das eine stärker negative initiale
      Verstimmung zur Erhöhung der Ausgangsleistung führen würde.
      Die Untersuchungen zeigen, dass durch die Bearbeitung der
      Grenzflächen der Wellenfunktionsüberlapp erhöht und somit der
      Materialzugewinn um bis zu 10 % gesteigert werden kann. Auch
      durch eine Änderung im Aufbau der Barrieren kann eine
      vergleichbare Steigerung erreicht werden. Zuletzt werden drei
      mögliche Materialzusammensetzungen vorgestellt die eine
      Laseremission bei 1300 nm ermöglichen. Im zweiten Teil dieser
      Dissertation werden unerwartete Oszillationen in der Emission
      von optisch gepumpten Halbleiterquantenpunkten in
      Mikroresonatoren diskutiert und analysiert. Dazu werden die
      experimentell gemessenen
      Eingangs-/Ausgangsleistungscharakteristik welche diese
      Oszillationen unterhalb der Laserschwelle offenlegt
      diskutiert. Eine Erweiterung des Jaynes-Cummings Modells
      ermöglicht die Reproduktion dieser Oszillationen und
      identifiziert sie als Quantengedächtniseffekt. Dieser wird
      durch vorhergehende Emissions- und Absorptionsereignisse
      aufgebaut. Es wurde herausgefunden, dass das
      Quantengedächtnis als Korrelation zwischen Resonator-Photonen
      und Besetzung der Quantenpunktzustände, aufgebaut durch
      verstimmte Rabioszillationen, beschrieben werden kann.
      Zusätzliche Untersuchungen konnten die Sensitivität der
      Systems auf quantenoptische Fluktuationen im anregenden
      Lichtfeld herausstellen. Sie kann benutzt werden um die
      Stärke der Oszillationen, zum Beispiel mit Hilfe von
      quantenoptischer Spektroskopie, zu verändern.
description: This Thesis provides an overview on
      microscopic theories for the description of semiconductor
      laser material systems. Therefore, it gives an overview about
      three theoretical models used for the description of
      different properties of semiconductors. First, an extension
      to the original Jaynes-Cummings model (JCM) is introduced. It
      is later used for the investigation of quantum dots hosting
      multiple electronic levels placed inside a microcavity.
      Advancing to a different approach, second, the semiconductor
      Bloch equations (SBEs) are discussed together with the system
      Hamiltonian and the resulting measurable macroscopic
      quantities, i.e. absorption and refractive index change. As
      third model, the semiconductor luminescence equations (SLEs)
      are presented to calculate photoluminescence (PL) spectra
      where the quantized properties of the light are taken into
      account. Last, the evaluation of photomodulated reflectance
      (PR) spectroscopy based on the SBEs is presented.
      Additionally, it reviews and extends all investigations made
      in the context of type-II band-aligned "W"-systems. Besides
      the content presented in these publications, it starts with a
      general introduction of type-II and especially "W"-aligned
      multiple quantum-well heterostructures (MQWHs). They are
      compared to traditional type-I systems in terms of
      temperature and charge carrier density dependence. The
      differences are studied based on the SBEs. Subsequently, as
      part of the closed-loop process, an experiment--theory
      comparison for PL measurements of epitaxially grown "W"-MQWHs
      is presented. Based on the nominal parameters, i.e.
      quantum-well thickness and concentration, the material gain
      of this structure is computed. Excitonic transitions and
      their spatial recombination path are investigated to identify
      their type-II character. Subsequently, a systematic analysis
      of the "W"-VECSEL sample is carried out. Here, charge carrier
      dependent reflection spectra are presented to confirm the
      experimentally determined lasing wavelength. The
      investigation of the VECSEL concludes with the determination
      of detuning and modal gain of the sample. In addition,
      optimization capabilities are discussed by the means of the
      carrier confinement due to graded interfaces and different
      barrier materials. As a last point, material compositions
      suitable to increase the emission wavelength to 1300 nm are
      suggested based on calculations. Unexpected oscillations in
      the emission of optically pumped semiconductor quantum-dot
      microcavities are discussed and analyzed. The usual linear
      slope of the I/O characteristics of this setup is modified.
      To figure out the origin of the nonlinearities, a systematic
      theoretical investigation is applied which identifies them as
      genuine quantum-memory effect. They are found to be directly
      addressable by utilizing the quantum-optical fluctuations of
      the exciting light field.