The semiconductor Bloch equations (SBEs) are an insightful and well-established formalism for studying light-matter interactions in solids. When Coulomb interactions between electrons are omitted, the SBEs are simplified to a single particle model. The SBEs in this single electron approximation have been used extensively to model strong-field interactions in condensed matter. The SBEs in the length gauge provide an intuitive and numerically efficient model of high harmonic generation (HHG) in solids. In this approach, the SBEs involve Berry connections and transition dipole moments, which are gauge dependent structural quantities. This thesis studies the role of gauge symmetry in the SBEs, and how it can be exploited to facilitate efficient numerical analysis of HHG in solids. In the length gauge, the macroscopic current describing HHG can be decomposed into physically intuitive contributions. In particular, this leads to a contribution known as the "mixture" current, which has been overlooked by the HHG community until recently. We study the influence of this contribution using the analytic tight-binding model for gapped graphene. We derive an analytic gauge transformation that removes singular behaviour from the gapped graphene model, thus enabling efficient numerical integration of the SBEs. We also present an alternative approach for simulating dynamics in tight-binding models. Instead of simulating the SBEs in the usual basis of Bloch functions, we transform to the basis in which the tight-binding Hamiltonian is represented. The dipole matrix elements necessarily vanish in this basis, and the SBEs can be integrated using only the Hamiltonian matrix elements. We first generalize the SBEs to accomodate a non-diagonal Hamiltonian matrix, and we demonstrate this formalism numerically using two different tight-binding models. Finally, we derive a novel formulation of the SBEs which involve only gauge invariant matrix elements. Specifically, the Berry connections and transition dipole phases are replaced by a gauge invariant quantity known as the shift vector. This yields a fully gauge invariant description of HHG in solids, and the shift vector provides intuitive insight for HHG in systems with broken inversion symmetry. Further, the ability to describe HHG solely in terms of gauge invariant quantities raises new possibilities for tomographic reconstruction of crystal band structure, and this idea is discussed as a possible direction of future work.

Vertical external-cavity surface-emitting lasers are ideal testbeds for studying the influence of the non-equilibrium many-body dynamics on mode locking. As we will show in this thesis, ultra short pulse generation involves a marked departure from Fermi carrier distributions assumed in prior theoretical studies. A quantitative model of the mode locking dynamics is presented, where the semiconductor Bloch equations with Maxwell’s equation are coupled, in order to study the influences of quantum well carrier scattering on mode locking dynamics. This is the first work where the full model is solved without adiabatically eliminating the microscopic polarizations. In many instances we find that higher order correlation contributions (e.g. polarization dephasing, carrier scattering, and screening) can be represented by rate models, with the effective rates extracted at the level of second Born-Markov approximations. In other circumstances, such as continuous wave multi-wavelength lasing, we are forced to fully include these higher correlation terms. In this thesis we identify the key contributors that control mode locking dynamics, the stability of single pulse mode-locking, and the influence of higher order correlation in sustaining multi-wavelength continuous wave operation.

A systematic study of microscopic many-body dynamics is used to analyze a strategy for how to generate ultrashort mode locked pulses in the vertical external-cavity surface-emitting lasers with a saturable absorber mirror. The field propagation is simulated using Maxwell's equations and is coupled to the polarization from the quantum wells using the semiconductor Bloch equations. Simulations on the level of second Born-Markov are used to fit coefficients for microscopic higher order correlation effects such as dephasing of the polarization, carrier-carrier scattering and carrier relaxation. We numerically examine recent published experimental results on mode locked pulses, as well as the self phase modulation in the gain chip and SESAM.

Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben. Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen. Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.

Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben. Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen. Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.

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.