Microscopic Theory of Semiconductor Laser Material Systems

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...

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1. Verfasser: Berger, Christian
Beteiligte: Koch, Stephan W. (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2016
Physik
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2016.0472
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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topic Optischer Ge
Optisch gepumpter Halbleiterlaser
Halbleiterphysik
Physik
Laser
Theoretische Physik
Quantenwell
Physik
Type-II
Halbleiter
Heterostruktur
Typ-II
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Optisch gepumpter Halbleiterlaser
Halbleiterphysik
Physik
Laser
Theoretische Physik
Quantenwell
Physik
Type-II
Halbleiter
Heterostruktur
Typ-II
Microscopic Theory of Semiconductor Laser Material Systems
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.
Berger, Christian
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contents 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.
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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. 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. 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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. urn:nbn:de:hebis:04-z2016-04729 http://dx.doi.org/10.17192/z2016.0472 2016 opus:6831 2016-07-06 Mikroskopische Theorie von Halbleiterlaser Materialsystemen 2016-08-24 Philipps-Universität Marburg Berger, Christian Berger Christian ths Prof. Dr. Koch Stephan W. Koch, Stephan W. (Prof. Dr.)
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