08 Fakultät Mathematik und Physik
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Item Open Access Tailored nanocomposites for 3D printed micro-optics(2020) Weber, Ksenia; Werdehausen, Daniel; König, Peter; Thiele, Simon; Schmid, Michael; Decker, Manuel; Oliveira, Peter William de; Herkommer, Alois; Giessen, HaraldItem Open Access Modulationsdynamik von rot oberflächenemittierenden Halbleiterlasern(2007) Ballmann, Tabitha; Schweizer, Heinz (Prof. Dr.)Zusammenfassung: Oberflächenemittierende Laser mit Vertikalresonator (VCSEL), die bei einer Wellenlänge von 650-670 nm emittieren, sind insbesondere für optische Datenverbindungen mit Plastikfasern geeignet, die ein Absorptionsminimum bei dieser Wellenlänge besitzen. Hier wird das Bauteildesign, die Herstellung und die Charakterisierung im stationären und modulierten Betrieb von selektiv oxidierten VCSEL beschrieben. Ein Herstellungsprozeß mit parasitätsarmem Bauteildesign wurde entwickelt. Die VCSEL-Geometrie wurde im Hinblick auf eine hohe optische Leistung, Betrieb bis zu hohen Temperaturen und eine schnelle Modulation untersucht. Wärmeerzeugung und -abfuhr und Ladungsträgertransport sollen dabei verstanden werden. Die Absorption bzw. Photonenlebensdauer im VCSEL kann direkt aus den Meßwerten des externen Quantenwirkungsgrads extrahiert werden. Für Aperturen >13 µm ergibt sich eine Absorption von 13 cm-1, was hauptsächlich der Lichtabsorption durch freie Ladungsträger der Dotieratome zugeordnet werden kann. Zu kleineren Aperturen hin ergeben sich kürzere Photonenlebensdauern (statt 2.59 ps nur 1.52 ps bei einer Apertur von 3.5 µm). Zusätzliche optische Verluste treten auf, indem die Ausläufer der Gaußmode an einer kleinen Apertur gestreut werden. Im Gleichstrombetrieb wurde die Temperatur im VCSEL-Inneren und die optische Ausgangsleistung abhängig von den Betriebsbedingungen (zugeführter Strom, Außentemperatur) und der Bauteilgeometrie (Mesa-, Aperturbreite) gemessen und mit einem Temperaturbilanzmodell rechnerisch nachvollzogen. Die Degradation der Stromschwelle und nicht die Degradation der Quantenausbeute legt den Wert in der Licht-Strom Kennlinie fest, an dem der Laser ausgeht. Durch die spektrale Verschiebung der Emissionswellenlänge ist die Temperatur im VCSEL-Inneren bekannt. Sie steigt für kleine Verhältnisse von Apertur- zu Mesabreite am wenigsten mit der Stromdichte an. Das Mesahalbleitermaterial über der engen Oxidapertur sorgt für eine Querverteilung der Wärme und des Stroms. Gleichzeitig hält die Apertur den als Heizquelle wirkenden Pumpschwellstrom klein. Für maximale optische Leistung ist dagegen eine mittlere Aperturgröße am besten. Zu kleinen Aperturen hin begrenzt die schlechtere Wärmeabfuhr über die thermische Leitfähigkeit die Ausgangsleistung. Zu großen Aperturen und damit auch großen Pumpströmen hin dominiert die dissipierte elektrische Leistung mit ihrer Wärmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand. Im gepulsten Betrieb erhält man eine maximal mögliche Umgebungstemperatur von 150°C für das Materialsystem des 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP mit einer Banddiskontinuität von ca. 400 meV. Bei höheren Temperaturen gehen zu viele Elektronen den Quantenfilmen verloren. Dieser Wert entspricht den Innentemperaturwerten, bis zu denen im Gleichstrombetrieb Laseremission zu sehen war. Mißt man die VCSEL-Antwort auf eine Kleinsignalmodulation der Stromamplitude und paßt eine Drei-Pol-Transferfunktion aus den Laserratengleichungen an, ist es möglich, die relative Wichtigkeit der vier bandbreitenlimitierenden Effekte in einem Halbleiterlaser zu bestimmen. Das ist die intrinsische Dämpfung der Resonanzspitze (0.17 ns K-Faktor -> 52 GHz Bandbreite), die thermische Sättigung der Resonanzfrequenz, das parasitäre und das transportbedingte parasitätsähnliche Absinken der Antwortfunktion (33 ps diffusive Transportzeit der Ladungsträger über die Einbettungs- und Barrierenschicht der 1-lambda-cavity -> 18 GHz Bandbreite). Durch eine dickere Passivierungsschicht reduzierten wir die Kontaktflächenkapazität und damit das parasitäre RC-Produkt und erreichen Modulationsbandbreiten von 4 GHz für einen 650 nm VCSEL. Beseitigt man das parasitäre Abfallen der Antwort zu hohen Frequenzen hin, ist das eigentliche Limit im roten VCSEL ein thermisches Limit - wie im Gleichstrombetrieb. Mit höherem Arbeitsstrom nimmt die Bauteilerwärmung zu und Photonendichte und Bandbreite sättigen. Der kleine Apertur-VCSEL mit dem besseren Temperaturbudget erreicht deutlich höhere Resonanzfrequenzen und zwar 6.3 GHz bei 4.5 mA mit einer Apertur von 3.5 µm (bei 657.9 nm). Aus den Modulationsmessungen läßt sich zudem über die Verstärkungskompression die lokale Einfangzeit von der Barrierenregion in den Quantenfilm als maximal 2 ps lang abschätzen. Die digitale Großsignalantwort des VCSELs ist durch Ein- und Ausschaltverzögerungen weiter begrenzt. Die numerische Simulation der Antwort liefert für die Ladungsträgerlebensdauer an der Schwelle 0.39 ns (Apertur 7 µm) (wie auch aus der Schwellstromdichte des stationären Betriebs und aus der Kleinsignalmodulation). Bei einem Vorstrom über der Schwelle wird die Einschaltverzögerung mit steigender Kleinsignal-Resonanzfrequenz kürzer. Aber auch die RC-Aufladekurve durch die dünne Oxidschicht beeinflußt die Einschaltverzögerung noch. Es wurde ein Augendiagramm bei einer Datenrate von 1.25 Gb/s mit dem 650 nm VCSEL aufgenommen.Item Open Access Ultrafast near- and mid-infrared laser sources for linear and nonlinear spectroscopy(2016) Steinle, Tobias; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Item Open Access Perturbation and manipulation of leaky modes in photonic crystal fibers(2020) Upendar, Swaathi; Weiss, Thomas (Apl. Prof. Dr.)Optical fibers guide light in a central core surrounded by a cladding. The most common fibers are step-index fibers, which guide light using total internal reflection in the fiber core. Recently, a new class of fibers, with a microstructured cladding, which also include photonic crystal fibers have been developed. The photonic crystal fibers have a periodic refractive index profile in the cladding and guide light using a bandgap effect or modified total internal reflection. Photonic crystal fibers promise to surpass the guiding properties of the traditional step-index fiber and are being studied extensively. However, these new fibers support leaky modes in contrast to the perfectly guided or bound modes of the conventional step-index fiber. Leaky modes are solutions to Maxwell’s equations that radiate energy in the transverse direction of the fiber. This energy leakage leads to growing fields in the homogeneous exterior. Due to these growing fields in the exterior, the normalization of leaky modes has been a long standing challenge. The normalization for bound modes, which have exponentially decaying fields as we move away from the fiber core, is achieved using an integral of the time-averaged Poynting vector over the xy plane. However, this expression diverges for the case of leaky modes. In this thesis, we derive a general analytical normalization for leaky and bound modes in fiber structures that is independent of the region of integration as long as it encloses all spatial inhomogeneities. Using this analytical normalization, which is an essential factor in any perturbation theory, we develop perturbation theories for interior and exterior perturbations in fiber geometries supporting leaky modes. The perturbations are considered to be changes in the permittivity and permeability tensors of the fiber, which also extend to the axial, i.e., the translationally invariant direction. We formulate the exterior perturbation theory to also treat wavelength as a perturbation. This is highly useful to obtain important fiber quantites such as group velocity as a simple post processing step instead of repeatedly solving Maxwell’s equations for different wavelengths. We demonstrate the accuracy of both perturbation theories on analytically solvable capillary fibers and the more complicated photonic crystal fibers. We also demonstrate the usefulness of a perturbation theory in studying disorder, which involves averaging over many realizations. Furthermore, we present a theoretical study of a novel design to reduce the confinement loss of the fundamental core mode in photonic bandgap fibers with high index strands. This is done by modifying the radius of specific strands, which we call “corner strands”, in the core surround. We demonstrate the usefulness of the analytical normalization in optimizing the fiber design by providing a physically meaningful way of comparing field confinement for different fiber structures. As fundamental working principle, we show that varying the radius of the corner strands leads to backscattering of light back to the core. By using an optimal radius for these corner strands in each transmission window, the losses are decreased by orders of magnitude in comparison to the unmodified cladding structure. We do a parametric analysis of this phenomenon by varying different structural properties such as radius, pitch and the radius-to-pitch ratios to find the optimal design. Thus, we generalize the previously studied case of missing corner strands which only works for certain radius-to-pitch ratios in the first bandgap. This design can be adapted to any photonic bandgap fiber including hollow core photonic crystal fibers and light cage structures.Item Open Access Functional complex plasmonics : understanding and realizing chiral and active plasmonic systems(2016) Yin, Xinghui; Giessen, Harald (Prof. Dr.)The present thesis concerns itself with the theoretical study and experimental realization of complex plasmonic systems for highly integrated nanophotonic devices and enhanced chiroptical spectroscopy. In particular, the two broad topics of active metasurfaces and chiral plasmonic systems are investigated to this end. In this context, the chalcogenide phase change material GeSbTe is utilized to demonstrate, for the first time, metasurface based beam steering and varifocal lensing devices. The versatility of this approach to lending active functionality to plasmonic systems is further evidenced through our realization of a chiral plasmonic system that both exhibits a wavelength tunable and handedness switchable chiroptical response. Furthermore, in order to enable a systematic study of plasmon- enhanced chiroptical spectroscopy, we rst establish and analyze canonical chiral plasmonic building blocks, in particular, the loop wire and chiral dimer structure. The results from this undertaking lead to fundamental insights for understanding complex chiral plas- monic systems. Finally, we implement chiral media in the commercial electromagnetic full- field solver Comsol Multiphysics to carry out rigorous numerical studies of the macroscopic electrodynamic processes involved in plasmon-enhanced circular dichroism spectroscopy revealing both substantial enhancement due to near-field effects as well as upper boundaries to the magnitude of such enhancements.Item Open Access Zeemanspektroskopie an tiefen Zentren in GaP und SiC(1998) Baars, EnnoIn der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse optischer Zeeman- und Piezospektroskopie an tiefen Störstellen in Galliumphosphid und Siliciumcarbid vorgestellt. Galliumphosphid ist seit etwa 30 Jahren das gängige Material für die Herstellung von Licht-Emittierenden Dioden (LEDs). Dementsprechend intensiv wurden die Übergangsmetalle im GaP studiert, die zu den häufigsten Verunreinigungen zählen und oft schon beim Probenwachstum in das Material gelangen. Sie bilden tief in der Bandlücke liegende Zentren aus, die als Kanäle für schnelle nichtstrahlende Rekombination, sogenannte Lumineszenzkiller wirken können oder aber Haftstellen für Elektronen bilden und so die Ladungsträgerkonzentration herabsetzen. Diese Eigenschaft wird bei anderen III-V-Halbleitern (GaAs:Cr, InP:Fe) auch zur Herstellung semiisolierender Substrate gezielt eingesetzt. Die hier vorgestellten Untersuchungen befassen sich mit Chrom-Zentren im Galliumphoshid. Während Chrom in Galliumarsenid intensiv studiert wurde und seine Eigenschaften weitgehend geklärt sind, zählt es im Galliumphosphid zu den am wenigsten verstandenen Systemen. Insbesondere wurde kürzlich in hochaufgelösten Absorptionsspektren von GaP:Cr2+ eine weitere Linie entdeckt, die nicht mit dem bisherigen Modell erklärbar ist. Es wurde daher die Vermutung geäußert, sie könne zu einem anderen Chrom-Zentrum gehören. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von piezospektroskopischen Messungen diese These widerlegt. Aufbauend auf Zeemanmessungen am gleichen System wird eine Erweiterung des Modells diskutiert, mit der sich die spektroskopischen Daten beschreiben lassen. Noch weniger ist über das im weiteren untersuchte Chrom-Schwefel-Zentrum bekannt, das in kodotierten Proben gefunden wurde. Die gemessene Druckantwort hat trigonalen Charakter, der auf ein Chrom-Schwefel-Paarzentrum schließen läßt, bei dem sich die beteiligten Atome auf benachbarten Gitterplätzen befinden. Zeemanmessungen zeigen, daß die Ankopplung von tetragonalen Phononen durch die trigonale Achse nicht vollständig unterdrückt wird. Es werden zwei mögliche Ansätze zur Beschreibung dieser Wechselwirkung diskutiert. Obwohl Siliciumcarbid als Material für die Herstellung der blauen LED zunehmend von Galliumnitrid verdrängt wird, ist es aufgrund seiner exzellenten thermischen Stabilität immer noch ein wichtiges Material für Hochleistungs- und Hochtemperaturbauelemente. Darüberhinaus dient es wegen seiner geringen Gitterfehlanpassung zum Galliumnitrid als Substratmaterial bei der Herstellung epitaktischer GaN-Schichten. Die von den Übergangsmetallen Titan, Vanadium und Chrom im Siliciumcarbid gebildeten tiefen Störstellen sind von besonderer Bedeutung, da diese drei Elemente neben Bor und Stickstoff als häufigste Verunreinigungen in diesem Material vorkommen. Zu Chrom-Zentren in SiC gibt es jedoch bisher nur wenige Untersuchungen. In dieser Arbeit werden Photolumineszenzmessungen am System 4H-SiC:Cr4+ vorgestellt. Zur Interpretation der Zeeman-Messungen wird ein neues Modell diskutiert, das einen Spin-Flip-Übergang zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand annimmt. Es wird eine Anregungsserie vorgestellt, die eine Sättigung des Übergangs als Ursache für das schwache Strahlen des Zentrums nahelegt.Item Open Access Mass-producible micro-optical elements by injection compression molding and focused ion beam structured titanium molding tools(2020) Ristok, Simon; Roeder, Marcel; Thiele, Simon; Hentschel, Mario; Guenther, Thomas; Zimmermann, André; Herkommer, Alois; Giessen, HaraldItem Open Access Imaging microspectroscopy of functional nanoplasmonic systems(2020) Sterl, Florian; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Item Open Access Photo-excited dynamics in the excitonic insulator Ta2NiSe5(2018) Werdehausen, Daniel; Takayama, Tomohiro; Albrecht, Gelon; Lu, Yangfan; Takagi, Hidenori; Kaiser, StefanThe excitonic insulator is an intriguing correlated electron phase formed of condensed excitons. A promising candidate is the small band gap semiconductor Ta2NiSe5. Here we investigate the quasiparticle and coherent phonon dynamics in Ta2NiSe5 in a time resolved pump probe experiment. Using the models originally developed by Kabanov et al for superconductors (Kabanov et al 1999 Phys. Rev. B 59 1497), we show that the material’s intrinsic gap can be described as almost temperature independent for temperatures up to about 250 K to 275 K. This behavior supports the existence of the excitonic insulator state in Ta2NiSe5. The onset of an additional temperature dependent component to the gap above these temperatures suggests that the material is located in the BEC-BCS crossover regime. Furthermore, we show that this state is very stable against strong photoexcitation, which reveals that the free charge carriers are unable to effectively screen the attractive Coulomb interaction between electrons and holes, likely due to the quasi 1D structure of Ta2NiSe5.Item Open Access Nonlinear optics in hybrid plasmon-fiber cavities(2021) Ai, Qi; Giessen, Harald (Prof. Dr.)