Mikroskopische Simulation optisch gepumpter Halbleiterscheibenlaser

In dieser Dissertation werden optisch gepumpte Halbleiterscheibenlaser zweier unterschiedlicher Bauformen, VECSEL(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser) und VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting-Laser), untersucht. Dazu werden im Wesentlichen die Maxwell-Halbleiter-Bloch-Gleichungen verwe...

Ausführliche Beschreibung

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1. Verfasser: Kühn, Eckhard
Beteiligte: Koch, Stephan W. (Professor Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2009
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:In dieser Dissertation werden optisch gepumpte Halbleiterscheibenlaser zweier unterschiedlicher Bauformen, VECSEL(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser) und VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting-Laser), untersucht. Dazu werden im Wesentlichen die Maxwell-Halbleiter-Bloch-Gleichungen verwendet. Diese Beschreibung erlaubt insbesondere dynamische Vorgänge im elektronischen System des aktiven Lasermaterials(hier Quantenfilme) detailliert nachzuvollziehen und daraus resultierende Auswirkungen auf die Laseremission zu verstehen. Im Rahmen der Arbeit zeigt sich, dass in optisch gepumpten VECSELn dynamische Streuprozesse zwischen Ladungsträgern unter Laserbedingungen zu stationären Nichtgleichgewichtsladungsträgerverteilungen(NGG) führen können, die eine Reduktion des Gewinns im Vergleich zu GG-Verteilungen bei gleicher Ladungsträgerdichte verursachen. Weiterhin stellen sich aufgrund des Quantendefekts Ladungsträgertemperaturen, die die mittlere Energie der NGG-Verteilung repräsentieren, ein, die oberhalb der Gittertemperatur des Systems liegen. Dadurch wird der Gewinn weiter reduziert. Als Konsequenz aus der kombinierten Gewinnreduktion steigt die Ladungsträgerdichte und damit auch die Verluste des Lasersystems. Hinzu kommt ein Ausbleichen der Absorption der Quantenfilme, das sich negativ auf die Absorptionseffizienz quantenfilmgepumpter VECSEL auswirkt. Zusammen folgt daraus eine sublineare Leistungscharakteristik für Pumpleistungen oberhalb der Laserschwelle, bei der rund 3/4 der Abweichungen in dem betrachteten System und den betrachteten Anregungsbedingungen auf das Ausbleichen der Absorption und 1/4 auf die Ausprägung der NGG-Verteilung zurückgeführt werden konnte. Für Pumpenergien oberhalb der Barrierenbandkante, tritt deutlich geringeres, von der Pumpleistung nahezu unabhängiges Ausbleichen der Pumpabsorption auf, solange die Ladungsträgereinstreuzeiten in die Quantenfilmschichten im untersuchten Modell < 20ps sind. In stationären Zustand wird der größte Teil der Laserverlustleistung ein Aufheizen des aktiven Spiegels und damit eine Wellenlängenverschiebunge von Materialgewinn und Resonatormode verursachen. Dieser Effekt führt zu einer signifikanten Erhöhung der Ladungsträgerdichte und damit der Laserverluste und daher sinkender Effizienz des Lasersystems bei hohen Pumpleistungen. Letztendlich schaltet der VECSEL durch supralinear mit der Ladungsträgerdichte steigende Verluste ab - dem sogenannten thermischen Überrollen. In der vorliegenden Arbeit wurde dieser Aspekt der Leistungscharakteristik eines VECSELs unter Verwendung eines Gleichgewichtsratengleichungsmodells auf Basis mikroskopischer Verlust- und Gewinnrechnungen untersucht. Dabei wurde der Einfluss des Resonators und insbesondere die Auswirkungen einer Anti-Reflexionsbeschichtung(AR) auf dem aktiven Spiegel auf die Leistungscharakteristik des Systems analysiert. Im Ergebnis verursacht die AR-Beschichtung eine signifikant verschlechtere Charakteristik mit erhöhten Schwellpumpleistungen und veringerter maximaler Laseremission. Der Grund dafür ist eine Abschwächung des optischen Confinements durch einen weniger ausgeprägten Unterresonator im aktiven Spiegel. Die Auswertung der Auswirkungen weiterer Resonatoreigenschaften wie der Reflektivität des externen Spiegels und der Energieverschiebung zwischen Resonatormode und PL-Signal des aktiven Materials bei Raumtemperatur auf die Leistungscharakteristik, ergaben verschiedene Optima der maximaler Ausgangsleistung und Schwellpumpleistung für beschichtete und unbeschichtete Bauelemente. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, bereits beim Design eines VECSELs die Auswirkungen einer eventuellen AR-Beschichtung mit zu berücksichtigen, um die für die jeweilige Anwendung optimale Leistungscharakteristik erreichen zu können. Nachfolgend wurde der Einfluss der AR-Beschichtung auf die Emissionsdynamik gepulst angeregter VECSEL betrachtet. Dabei zeigte sich auch hier, dass die AR-Beschichtung charakteristische Merkmale der Laseremission wie Anschwingzeit, Schwellpumpleistung und Steigungseffizienz beeinflusst. Im letzten Teil der Arbeit wurde das dynamische Antwortverhalten eines VCSELs unter kohärent kontrollierten Pulsanregungsbedingungen untersucht. Dabei wurden in einem externen Experiment gaußförmige, 110fs lange Pumppulse unterschiedlichen quadratischen Chirps und unterschiedlicher Pumpleistung resonant mit der 1s-Barrierenresonanz des untersuchten VCSEL eingestrahlt. Ein experimentell beobachteter Zusammenhang zwischen dem quadratischen Chirp und sowohl der Antwortzeit als auch der emittierten Laserleistung, konnte in der Simulation auf das Ausbleichen der 1s-Barrierenresonanz durch die angeregten Ladungsträger und dem damit einhergehenen anregungsinduzierten Dephasieren der Resonanz zurückgeführt werden. Die qualitativen Zusammenhänge zwischen Pumpleistung und Laserantwort wurden in der Simulation nachgewiesen und auf die pumpanregungsabhängig unterschiedlichen Ladungsträgerverteilungen zurückgeführt.