This paper involves the calculation for composition of different layer used in laser structure and the simulation of cavity, formed by creating air columns in the InGaAsP medium, for square lattice. The aim of this project is to fabricate approximately zero threshold current lasers. This project involves FDTD simulation for optimizing dimension of the device, fabrication of laser structure and finally characterization of the device structure. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Advantage of the single QD active layer is its potential for very low threshold current density, which in turn can produce low internal optical loss. The low threshold current density and low internal loss thus enable a significant increase in laser diode cavity length. Because of the importance of the threshold current density in heatsinking, future technology of broad-area monolithic laser diodes can be implemented. The dissertation describes the development and the unique characteristics of single QD active layer laser with long cavity. The data are presented on single layer QD laser diodes that reach threshold current densities values of 11.7 A/cm2 in a p-up mounted 2 cm long cavity and as low as 10 A/cm2, with CW output power of 2 W in a p-down mounted 1.6 cm long cavity. The 8.8 A/cm2 in a p-down mounted 2 cm long cavity is reported. To our knowledge the value 8.8 A/cm2 is the lowest threshold current density ever reported for a room temperature laser diode. These single layer QD laser diodes reach an internal loss of ~0.25 cm-1, which is also the lowest ever reported for a room temperature laser diode. These unique characteristics of single layer QD and laser diode size are potentially promising for the monolithic mode-locked laser because of relatively high peak power with a low repetition rate that is on the order of a few GHz, which can be the novel device for external clocking in the optical interconnect applications. In this dissertation, the stable optical pulse train in a 40 µm wide stripe with a repetition rate of 3.75 GHz with 1.1 cm cavity length through the passive mode-locked onto the monolithic two-section device fabricated from this single layer QD laser is observed.

Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) baut seit 2011 eine Testanlage Energy Recovery Linac (ERL) Project – BERLinPro. Das Ziel dieses Projektes ist den hohen Strom und hohe Brillanz von dem Elektronenstrahl in einem ERL zu demonstrieren. Die angestrebten Strahlparameter sind vergleichbar mit den Parametern von e.g. zukünftigen ERL-basierten Lichtquellen. Eine von solchen Anlagen ist Femto-Science Factory (FSF), die am HZB konzipiert wurde. FSF ist eine Lichtquelle in Röntgenbereich auf Basis von einem mehrumläufigen ERL mit zweistüfiger Injektion und Energie von einigen GeV. Die Quelle soll Diffraktionslimitiert sein und kurze (Femtosekundenbereich) Lichtpulse erzeugen. Die durchschnittliche und spitzen- Brillanz soll mindesten eine Größenordnung höher liegen als die Brillanz der modernen Speicherring-basierten Lichtquellen. Ein Überblick von BERLinPro und FSF ist gegeben. Eine potentielle Schwäche von ERL besteht in Strahlinstabilitäten, insbesondere regenerative Beam Break Up (BBU). Die Instabilität kann den erreichbaren durchschnittlichen Strom in einem ERL begrenzen. Der Grenzstrom von der BBU für BERLinPro ist berechnet in der Dissertation. Vergleich von zwei Linacs mit zwei verschiedenen supraleitenden Kavitätendesigns ist vorgestellt. Drei Methoden für Strahlstabilisierung (Einfluss von Strahlrotation mit einem Soleniod, Pseudoreflektor, und Tripleten von Quadrupolen in dem Linac auf den Grenzstrom) sind untersucht. Analytische Lösungen für die Twiss-Parameter wurden gefunden für die beste Linacoptik mit und ohne zusätzliche optische Elemente. Zukünftige große ERLs können unterschiedliche Beschleunigungsschemen benutzen. Diese Dissertation vergleicht drei Schemas: unmittelbare Injektion in einen 6 GeV Linac; zweistufige Injektion in einen 6 GeV Linac; und zweistufige Injektion in einen mehrumläufigen Beschleuniger mit geteiltem Hauptlinac in zwei 1 GeV Linacs. Der Basis für den Vergleich ist die Vollkostenanalyse sowie erreichbarer Grenzstrom von den Instabilitäten. / In January 2011 Helmholtz-Zentrum Berlin officially started the realization of the Berlin Energy Recovery Linac (ERL) Project – BERLinPro. The goal of this compact ERL is to develop the accelerator physics and technology required to accelerate a high-current (100 mA) low emittance beam. The parameters are desired for future large scale facilities based on ERLs, e.g. ERL-based synchrotron light sources. One of such large scale facilities is in the design phase at Helmholtz-Zentrum Berlin. This facility is called Femto-Science Factory (FSF). It is a GeV-scale multi-turn ERL-based light source. This light source will operate in the diffraction limited regime for X-rays and offer a short length of a light pulse in the femtosecond region. The average and peak brightness will be at least an order of magnitude higher than achievable from storage rings. In this work an overview of these two projects is given. One potential weakness of the Energy Recovery Linacs is a regenerative form of BBU – transverse beam break up instability. This instability can limit a beam current. In this work the threshold current of the BBU instability was calculated for BERLinPro. The comparison of two linacs based on different types of superconducting cavities is made. Different methods of BBU suppression are investigated (e.g. the influence of solenoid, pseudo-reflector and quadruple triplets in the linac structure on the BBU threshold). Analytic solutions of the Twiss parameters are used to find the best optic in the linac with and without external focusing are presented. Large scale ERL facilities can be realized on different schemes of beam acceleration. This dissertation compares a direct injection scheme with acceleration in a 6 GeV linac, a two-stage injection with acceleration in a 6 GeV linac and a multi-turn (3-turn) scheme with a two-stage injection and two main 1 GeV linacs. The key points of the comparison were total costs and BBU instability. Linac optic solutions are presented.