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.