Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Licht-Materie-Wechselwirkung in Quantenpunkt-Mikroresonatoren und deren vertikalen und lateralen Emissionseigenschaften. Quantenpunkte sind nanoskopische Strukturen, in denen die Beweglichkeit der Ladungsträger unterhalb der de-Broglie-Wellenlänge eingeschränkt ist, wodurch die elektronische Zustandsdichte diskrete Werte annimmt. Sie werden daher auch als künstliche Atome bezeichnet. Um die Emissionseigenschaften der Quantenpunkte zu modifizieren, werden sie im Rahmen dieser Arbeit als aktive Schicht in Mikrosäulenresonatoren eingebracht. Diese bestehen aus einer GaAs lambda-Kavität, die zwischen zwei Braggspiegeln aus alternierenden GaAs und AlAs Schichten eingefasst ist. Diese Resonatoren bieten sowohl eine vertikale Emission über Fabry-Perot Moden, als auch eine laterale Emission über Fl� ustergaleriemoden. Die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen den Resonatormoden und lokalisierten Ladungsträgern in den Quantenpunkten, genannt Exzitonen, kann in zwei Regime unterteilt werden. Im Regime der starken Kopplung wird der spontane Emissionsprozess in einem Quantenpunkt reversibel und das emittierte Photon kann wieder durch den Quantenpunkt absorbiert werden. Die theoretische Beschreibung der Kopplung eines Exzitons an die Resonatormode erfolgt über das Jaynes-Cummings Modell und kann im Tavis-Cummings Modell auf mehrere Emitter erweitert werden. Ist die Dämpfung des Systems zu gross, so befindet man sich im Regime der schwachen Kopplung, in dem die Emissionsrate des Quantenpunkts durch den Purcell-Effekt erhöht werden kann. In diesem Regime können Mikrolaser mit hohen Einkopplungsraten der spontanen Emission in die Resonatormode und niedrigen Schwellpumpströmen realisiert werden. Zur Charakterisierung der Proben werden vor allem die Methoden der Mikro-Elektrolumineszenz und der Photonenkorrelationsmessungen eingesetzt. / The present work deals with the light-matter interaction in quantum dot microcavities and their vertical and lateral emission properties. Quantum dots are nanoscopic structures, in which charge carriers are confi� ned in all three dimensions below the de-Broglie wavelength. As a consequence, the density of electronic states becomes singular and quantum dots are therefore referred to as arti� cal atoms. To modify the emission properties of quantum dots, they are introduced in micropillar cavities. These consist of a GaAs � -cavity, which is sandwiched between two Bragg mirrors of alternating layers of GaAs and AlAs. The micropillar resonators provide both a vertical emission via Fabry-P� erot modes, as well as a lateral emission via whispering gallery modes. The light-matter interaction between the microcavity modes and the localized charge carriers, called exzitons, can be devided into two regimes. In the strong coupling regime, the spontaneous emission process becomes reversible and an emitted photon can be reabsorbed by the quantum dot. The theoretical description of the coupling of a two-level emitter with a photonic mode is given by the Jaynes-Cummings model. For multiple two-level emitters, it can be extended to the Tavis-Cummings model. In the weak coupling regime the spontaneous emission rate of a quantum dot can be increased by the Purcell e� ect. Here, microlasers with high spontaneous emission coupling factors and low lasing thresholds can be realized. In order to investigate the samples, especially the methods of microelectroluminescence and photon correlation measurements are applied.

In dieser Dissertation werden verschiedene Methoden zur Simulation der Dynamik der optischen Moden einer Fabry-Pérot-Laserdiode diskutiert. Experimentell lässt sich hierbei der Effekt des Modenrollens oder Modenhüpfens beobachten. Hier sind zu einem gegebenem Zeitpunkt nur ein oder zwei longitudinale Moden aktiv, dabei wechseln sich die Moden in einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. Eine Erklärung für diesen Effekt sind Vibrationen der Ladungsträgerdichten in den aktiven Schichten bzw. den Quantenfilmen. So werden in der ersten betrachteten Methode die Ladungsträgerdichten bzw. die Besetzungsfunktionen zunächst als ortsabhängig betrachtet, um die Ladungsträger-Vibrationen direkt zu bestimmen. Bei diesem Vorgehen wird eine hohe Rechenzeit benötigt, welche bei einer anderen Methode mithilfe eines effektiven Modenwechselwirkungsterms allerdings erheblich reduziert wird. Im ersten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese beiden Methoden sehr ähnliche Ergebnisse liefern, außerdem wird der effektive Modenwechselwirkungsterm unter Berücksichtigung verschiedener Streuprozesse hergeleitet. Bei Strukturen mit mehreren Quantenfilmen oder größeren Stegbreiten spielt der Transport der Ladungsträger von den Kontakten zu den Quantenfilmen eine große Rolle, welcher in dieser Arbeit mithilfe der Drift-Diffusions-Gleichungen untersucht wird. Abschließend wird die Modendynamik mithilfe des Traveling-Wave-Modells simuliert. Im Gegensatz zu den bisher in dieser Arbeit verwendeten Methoden wird das optische Feld hierbei nicht mehr in die einzelnen Moden aufgeschlüsselt, sondern es wird partielle Differentialgleichung gelöst. / In this thesis different methods for the simulation of the mode dynamics in Fabry-Pérot laser diodes are discussed. These laser diodes show the effect of mode rolling, where the currently active longitudinal mode changes over time. This effect can be observed experimentally and can be explained by beating vibrations of the carrier densities in the quantum wells. In the first method used in this work the location dependence of the carrier densities and the distribution functions is considered. This procedure requires a lot of computing time, which is significantly reduced in another method using an effective mode interaction term. In the first part of this thesis it is shown that these two methods give very similar results, and the effective mode interaction term is derived taking into account various scattering processes. For structures with multiple quantum wells or broad ridge widths the transport of the charge carriers from the contacts to the quantum wells is important, which is examined in this work using the Drift-diffusion equations. Finally, the mode dynamics is simulated using the traveling wave model. In contrast to the methods used so far in this work the optical field is no longer broken down into the individual modes, instead a partial differential equation is solved.

Optische Frequenzkämme (OFC) haben eine Vielzahl von Anwendungen in den angewandten Wissenschaften und der Grundlagenforschung, die auf der Bestimmung von absoluten Frequenzen und Frequenzdifferenzen beruhen, revolutioniert. Für letzteres wird nur die Stabilisierung des spektralen Abstandes der individuellen Kammlinien des OFCs benötigt, was erlaubt, den OFCG auf die Anwendung anzupassen und die Systemkomplexität zu reduzieren. Eine solche Anwendung ist der Quantentest der Universalität des Freien Falls (UFF) im Rahmen der Experimentserie QUANTUS. Mit diesem Test soll der Freie Fall zweier atomarer Spezies, Rubidium (Rb) und Kalium (K), in Mikrogravitation vergleichen werden. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines hochkompakten, robusten, und weltraum-tauglichen diodenlaser-basierten OFCG mit einem modengekoppelten optischen Spektrum im Wellenlängenbereich um 780 nm. Es wurde ein diodenlaser-basierter OFCG entwickelt, der mit einer spektrale Bandbreite von mehr als 16 nm bei 20 dBc, einer optischen Leistung der Kammlinien > 650 nW (bei 20 dBc), einer Pulswiederholrate von 3.4 GHz, und einer RF-Linienbreite der frei-laufenden Pulswiederholrate < 10 kHz die Anforderungen übertrifft. Um ein Proof-of-Concept Demonstratormodul zu realisieren, wurde der diodenlaser-basierte OFCG in eine weltraum-taugliche Technologieplattform, die für die Anwendung in zukünftigen QUANTUS-Experimenten entwickelt wurde, hybrid-integriert. Der Nachweis einer ausreichend hohen RF-Stabilität des OFCGs wurde durch Stabilisierung der Pulswiederholrate auf eine externe RF Referenz erbracht. Dies ermöglichte eine stabilisierte Pulswiederholrate mit einer RF-Linienbreite von weniger als 1.4 Hz (auflösungsbegrenzt), was die die Anforderung übertrifft. Der entwickelte diodenlaser-basierten OFCG ist wichtiger Schritt in Richtung eines verbesserten Vergleichs des Freien Falls von Rb- und K-Quantengasen innerhalb der QUANTUS-Experimente in Mikrogravitation. / Optical frequency combs (OFC) have revolutionized various applications in applied and fundamental sciences that rely on the determination of absolute optical frequencies and frequency differences. The latter requires only stabilization of the spectral distance between the individual comb lines of the OFC, allowing to tailor and reduce system complexity of the OFC generator (OFCG). One such application is the quantum test of the universality of free fall within the QUANTUS experimental series. Within the test, the rate of free fall of two atomic species, Rb and K, in micro-gravity will be compared. The aim of this thesis was the development of a highly compact, robust, and space-suitable diode laser-based OFCG with a mode-locked optical spectrum in the wavelength range around 780 nm. A diode laser-based OFCG was developed, which exceeds the requirements with a spectral bandwidth > 16 nm at 20 dBc, a comb line optical power > 650 nW (at 20 dBc), a pulse repetition rate of 3.4 GHz, and an RF linewidth of the free-running pulse repetition rate < 10 kHz. To realize a proof-of-concept demonstrator module, the diode laser-based OFCG was hybrid-integrated into a space-suitable technology platform that has been developed for future QUANTUS experiments. Proof of sufficient RF stability of the OFCG was provided by stabilizing the pulse repetition rate to an external RF reference. This resulted in a stabilized pulse repetition rate with an RF linewidth smaller than 1.4 Hz (resolution limited), thus exceeding the requirement. The developed diode laser-based OFCG represents an important step towards an improved comparison of the rate of free fall of Rb and K quantum gases within the QUANTUS experiments in micro-gravity.

Dynamische Effekte in Halbleiterlasern aufgrund aktiver optischer Rückkopplung werden untersucht. Basierend auf Laserstrukturen mit verteilter Rückkopplung wird ein neuer Lasertyp entwickelt. Durch Experimente und ergänzende Simulationen wird ein umfassender Überblick der Dynamik dieses neuen Lasertyps gegeben. Zuerst werden die grundsätzlichen Veränderungen der Laserdynamik durch verzögerte optische Rückkopplung diskutiert. Es zeigen sich Hysterese- und Pulsationsphänomene. Ursprung der Pulsationen sind entdämpfte Relaxationsoszillationen und Modenschwebungen. Die Pulsationsphänomene werden anhand von integrierten Mehrsektionslasern mit passiver und aktiver optischer Rückkopplung untersucht. Es zeigt sich, daß nur Laser mit aktiver Rückkopplung die vollständige Kontrolle von Rückkoppelphase und -stärke erlauben, und damit den Zugang zum gesamten Spektrum der Laserdynamik mit sehr kurzer Verzögerungszeit bieten. Anhand des Lasertyps mit aktiver Rückkopplung wird eine umfassende Bifurkationsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse einer numerischen Untersuchung werden durch umfangreiche Experimente verifiziert. Sattel-Knoten-, Hopf- und Torus-Bifurkationen organisieren das Bauelementverhalten. Die Koexistenz von entdämpften Relaxationsoszillationen und Schwebungspulsationen erlaubt die Untersuchung von internen Synchronisationsphänomenen, Resonanzen und chaotischer Dynamik. Der Einfluß spontaner Emission auf die Laserdynamik zeigt sich am Beispiel rauschinduzierter Vorläufer einzelner Bifurkationen sowie am Übergang zwischen den beiden Pulsationsphänomenen. Abschließend wird die Anwendung des Lasers mit integriert-aktiver Rückkopplung als optischer Taktregenerator bei einer Datenrate von 40 Gbit/s demonstriert. Arbeitspunkte mit koexistierenden Oszillatoren und ganzzahligem Frequenzverhältnis eignen sich darüber hinaus zur rein optischen Frequenzteilung im GHz-Bereich. / Dynamical effects in semiconductor lasers due to active optical feedback are investigated. A novel laser type based on distributed feedback structures is developed and realized. Experiments as well as simulations give a comprehensive overview on the nonlinear dynamics of this laser type. First, the fundamental modifications of the solitary laser dynamics due to delayed optical feedback in the very short feedback cavity regime are discussed. Hysteresis effects and pulsation phenomena due to undamped relaxation oscillations and mode beating are identified. These oscillation types are experimentally confirmed by multi-section lasers with integrated passive and active feedback. It turns out that only the active feedback laser (AFL) allows for the full control of feedback phase and strength, enabling the access to the whole spectrum of laser dynamics in the very short delay limit. A complete bifurcation analysis for the AFL is presented. Results obtained in a numerical path-following study are verified by extensive experiments. Saddle-node, Hopf and torus bifurcations are identified to organize the device behavior. The coexistence of undamped relaxation oscillations and mode beating in the strong feedback regime allows for the experimental investigation of resonances, mutual locking and chaotic behavior. The modification of the laser dynamics by spontaneous emission noise is shown with the example of noisy precursors and irregular dynamics at the transition between the two oscillation types. Finally, the applicability of the AFL for optical clock recovery is demonstrated at a data rate of 40 Gbit/s. Operation points with coexisting oscillations and rational frequencies are shown to be suited for all-optical frequency division in the GHz range.

Die vorliegende Arbeit untersucht die longitudinale Dynamik von Halbleiterlasern anhand eines Modells, in dem ein lineares hyperbolisches System partieller Differentialgleichungen mit gewöhnlichen Differentialgleichungen gekoppelt ist. Zunächst wird mit Hilfe der Theorie stark stetiger Halbgruppen die globale Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für das konkrete System gezeigt. Die anschließende Untersuchung des Langzeitverhaltens der Lösungen erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird ausgenutzt, dass Ladungsträger und optisches Feld sich auf unterschiedlichen Zeitskalen bewegen, um mit singulärer Störungstheorie invariante attrahierende Mannigfaltigkeiten niedriger Dimension zu finden. Der Fluss auf diesen Mannigfaltigkeiten kann näherungsweise durch Moden-Approximationen beschrieben werden. Deren Dimension und konkrete Gestalt ist von der Lage des Spektrums des linearen hyperbolischen Operators abhängig. Die zwei häufigsten Situationen werden dann einer ausführlichen numerischen und analytischen Bifurkationsanalyse unterzogen. Ausgehend von bekannten Resultaten für die Ein-Moden-Approximation, wird die Zwei-Moden-Approximation in dem speziellen Fall untersucht, dass die Phasendifferenz zwischen den beiden optischen Komponenten sehr schnell rotiert, so dass sie sich in erster Ordnung herausmittelt. Mit dem vereinfachten Modell können die Mechanismen verschiedener Phänomene, die bei der numerischen Simulation des kompletten Modells beobachtet wurden, erklärt werden. Darüber hinaus lässt sich die Existenz eines anderen stabilen Regimes voraussagen, das sich im gemittelten Modell als "bursting" darstellt. / We investigate the longitudinal dynamics of semiconductor lasers using a model which couples a linear hyperbolic system of partial differential equations with ordinary differential equations. We prove the global existence and uniqueness of solutions using the theory of strongly continuous semigroups. Subsequently, we analyse the long-time behavior of the solutions in two steps. First, we find attracting invariant manifolds of low dimension benefitting from the fact that the system is singularly perturbed, i. e., the optical and the electronic variables operate on different time-scales. The flow on these manifolds can be approximated by the so-called mode approximations. The dimension of these mode approximations depends on the number of critical eigenvalues of the linear hyperbolic operator. Next, we perform a detailed numerical and analytic bifurcation analysis for the two most common constellations. Starting from known results for the single-mode approximation, we investigate the two-mode approximation in the special case of a rapidly rotating phase difference between the two optical components. In this case, the first-order averaged model unveils the mechanisms for various phenomena observed in simulations of the complete system. Moreover, it predicts the existence of a more complex spatio-temporal behavior. In the scope of the averaged model, this is a bursting regime.

Wir erforschen r?umlich Modenprofile in Wellenleitern mit Submikrometerabmessungen. Daf?r wird die optische Nahfeldmikroskopie in Kombination mit durchstimmbaren Laseranregungsquellen eingesetzt. Wir zeigen, wie das Nano-Photolumineszenzsignal von den Facetten von Quantentroglasern benutzt werden kann, um in diesem Bereich Oberfl?chenrekombination und Diffusionsl?ngeunabh?ngig voneinander zu bestimmen. Damit werden wichtige Informationen ?ber Haftstellen und deren Konzentration an Bauelementeoberfl?chen gewonnen. Eigenmoden in quasi-2-dimensionalen plasmonischen Kristallen sowie ihre Bandstruktur werden direkt gemessen und abgebildet. Messungen der Relaxation der Oberfl?chenplasmonanregung in der Raum- und Zeitdom?ne erlauben die Aufkl?rungder mikroskopischen Natur der Oberfl?chenplasmonemission. / Methods of the near-field spectroscopy combined with tunable laser excitation was used in order to perform investigation of the modeprofiles of submicron-sized waveguides in semiconductor device lasers. It was shown that the nano-photoluminescence signal at facets of a quantum well laser can be used to obtain surface recombination velocity and diffusion length independently and provide important information about concentration of trap-like defect states. Eigenmodes of the quasi-two-dimensional plasmonic crystals as well as their dispersion relations were directly mapped. The temporal and spatial domain measurement of the damping time of the surface plasmon excitation allow to reveal microscopic origins of surface plasmon radiation in such suchstructures.

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Bereits Galilei untersuchte, ob verschiedene frei fallende Körper im Schwerefeld der Erde gleich stark beschleunigt werden, die sogenannte Universalität des freien Falls. Die Genauigkeit der experimentellen Überprüfungen konnte seitdem beständig gesteigert werden. Einen neuen Ansatz, die Messgenauigkeit noch weiter zu verbessern, bilden quantenmechanische Messmethoden, die auf Materiewelleninterferometrie beruhen. Die dabei genutzten Apparaturen verwenden Laserstrahlung zur Kühlung, Manipulation und Detektion der Atome. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung des Lasersystems für ein neues Experiment, das erstmals Zwei-Spezies-Atominterferometrie (mit Rb & K) in Mikrogravitation demonstrieren soll. Ein Lasersystem, das sowohl die funktionalen Anforderungen als auch die aus dem Einsatz auf dem Katapult des Fallturms resultierenden Anforderung (Volumen < 44 l, Masse < 35 kg und voll funktionsfähig sofort nach einem Katapultstart mit Beschleunigungen von 30 g) erfüllt, wurde funktional konzipiert und mechanisch designt. Zur Demonstration wurde der Rubidium-Teil des Lasersystems funktional sowie mechanisch qualifiziert. Inzwischen wird er routinemäßig für Experimente am Fallturm eingesetzt. Für das Lasersystem wurden kompakte und robuste schmalbandigen Lasermodule entwickelt. Diese liefern bei einer Grundfläche der optischen Bank von nur 10 mm x 50 mm Ausgangsleistungen von bis zu 3,7 W. Am Arbeitspunkt (1 W Ausgangsleistung) besitzen die Strahlquellen Linienbreiten im Bereich von 100 kHz (Lorentz) bzw. 1 MHz (-3 dB, 10 µs). Zum Nachweis der spektralen Stabilität der Lasermodule wurde ein Messverfahrens zur Charakterisierung des Frequenzrauschens freilaufender Laser entwickelt. Dieses basiert auf einer Schwebungsmessung mit anschließender Analyse der Quadraturkomponenten des Signals im Zeitbereich. Durch den Einsatz geeigneter Filter erlaubt es die Unterdrückung der für Diodenlaser typischen Frequenzdrifts. / Galileo, already, investigated whether different free falling bodies in the gravitational field of the Earth are accelerated at the same rate, the so-called universality of the free fall. The accuracy of the experimental tests has been steadily increased ever since. A new approach to further increase the measurement accuracy is provided by quantum mechanical measurements based on matter wave interferometry. The apparatuses used for this purpose employ laser radiation for cooling, manipulation, and detection of the atoms. The aim of this thesis’ work was the development of the laser system for a new experiment intended to demonstrate two-species atom interferometry (utilizing Rb & K) in microgravity for the first time. A laser system, which fulfills the functional requirements as well as the requirements resulting from the deployment on the catapult of the drop tower (volume < 44 l, mass < 35 kg, and fully functional immediately after a catapult launch with accelerations of 30 g), has been functionally conceived and mechanically designed. For demonstration, the rubidium part of the laser system was functionally and mechanically qualified. By now, it is routinely used for experiments at the drop tower. For the laser system, compact and robust spectrally narrow laser modules have been developed. These provide an output power up to 3.7 W at a footprint of the optical bench of only 10 mm × 50 mm. At the operating point (1 W output power), the radiation sources exhibit linewidths in the range of 100 kHz (Lorentzian) and 1 MHz (−3 dB, 10 μs). To validate the spectral stability of the laser modules a measuring method for the characterization of the frequency noise of free-running lasers has been developed. This method is based on a beat note measurement with subsequent analysis of the quadrature components of the signal in the time domain. By utilizing appropriate filters, it allows for the suppression of the frequency drifts that are typical for diode lasers.

In dieser Arbeit werden einige Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung ultrakurzer Pulse in modengekoppelten Lasern unter Verwendung analytischer und numerischer Methoden theoretisch untersucht. Weiterhin werden einige Resultate über die Strahlung resonanter Medien, welche durch einen ultrakurzen Überlichtgeschwindigkeits-Lichtpuls angeregt werden, dargestellt. / In this thesis current problems related to the generation of short optical pulses in mode-locked lasers are considered in a theoretical context. We use numerical and analytical methods to study these problems. Additionally, the problem of resonant medium radiation excited by ultrashort light pulse propagating at superluminal velocity is investigated.