Modeling and Simulation of Non-Equilibrium Effects in Modern Semiconductor Nanostructures

Die systematische Modellierung moderner Halbleiterlaserstrukturen stellt eine bedeutende Herausforderung für die Formulierung einer physikalisch motivierten Lasertheorie dar, bei der die Beschreibung mikroskopischer Prozesse im Vordergrund steht und nicht das phänomenologische Widerspiegeln empirischer Beobachtungen. Dies gilt insbesondere für VECSEL Anwendungen deutlich oberhalb der Laserschwelle. Da die Emissionscharakteristik des VECSEL-Systems stark von der eigentlichen Geometrie des Aufbaus, den Materialparametern sowohl der dielektrischen Struktur als auch des optisch aktiven Materials und den Anre-gungsbedingungen abhängt, ist die mikroskopische Modellierung und Simulation der Eigenschaften einer solchen Struktur ein absolut nicht triviales Problem. Während es in vielen Situationen angemessen ist anzunehmen, dass die hohen Ladungsträgerdichten und damit verbundenen schnellen Streuprozesse zwischen den Ladungsträgern unter Laserbedingungen zu einer ausreichend schnellen Thermalisierung des Ladungsträgersystems führen, ist so eine Annahme unter typischen VECSEL Anwendungsbedingungen zumeist nicht gerechtfertigt. In diesen Systemen können die Ladungsträgerverteilungen mitunter stark von den Fermi-Dirac Verteilungen des ther- malisierten Quasi-Gleichgewichtes abweichen, da stimulierte Emission hier dazu neigt, in der energetischen Umgebung des Laserübergangs kinetische Löcher in die Ladungsträgerverteilungen zu brennen. Eine der Simulation von Nicht-Gleichgewichtseffekten zugrundeliegende Theorie muss daher in der Lage sein, die zeitliche kinetische Dynamik der Ladungsträger des optisch aktiven Materials zu verfolgen. Der Betrieb moderner Halbleiterheterostrukturlaser im extremen Parameterbereich wird somit durch ein kompliziertes Zusammen- und Wechselspiel einer Vielzahl an Prozessen bestimmt, die sich auf verschiedenen Zeitskalen abspielen. Dieses Multi-Zeitskalen Problem erfordert Lasermodelle, die eine Brücke schlagen zwischen mikroskopischer und makroskopischer Physik und die numerisch anspruchsvolle Simulation von Halbleiterlaserexperimenten praktikabel machen. Der den hier zusammengestellten Untersuchungsergebnissen zugrundeliegende Modellansatz basiert auf einer effektiven Streuraten-Näherung. Das Lasersystem besehend aus Halbleiterverstärkungsmedium, dielektrischer Resonatorstruktur und Lichtfeld wird im Rahmen der semi-klassischen Maxwell Halbleiter Bloch Gleichungen beschrieben. Vielteilchen Coulomb-Effekte werden auf der Ebene der Hartree-Fock Näherungen integriert. Um unser Modell zu testen und die Relevanz von Nicht-Gleichgewichtseffekten zu studieren, wählen wir das Beispiel eines traditionellen VECSEL Bauelementes, das Zwei-Farben Emission aufweist, sowie das Beispiel der Erzeugung ultrakurzer Pulse durch passive Modenkopplung in einem VECSEL System. Für den Zwei-Farben Betrieb präsentieren wir eine Modellstudie, die deutlich macht, dass unsere weiter oben kurz umris- sene Lasertheorie auf Grundlage der MSBE sehr gut für die Beschreibung von Hochleistungslaseranwendungen geeignet ist bei denen Nicht-Gleichgewichtseffekte zunehmend an Bedeutung gewinnen. Zusammengefasst geben unsere mikroskopische Simulationen die erste numerische Bestätigung, dass dynamische stabile Zwei-Farben Emission von Halbleiterlasern erfolgen kann, wenn die Modenkopplung zwischen den beiden relevanten Wellen- längen schwach ausgeprägt ist. Durch diese Ergebnisse motiviert nutzen wir den selben Modellansatz um eine erste numerische Simulation von Modenkopplung in einer einfachen VECSEL Struktur durchzuführen und die Rolle der angeregten Ladungsträgerverteilungen zu analysieren.