Spatio-temporal and polarisation dynamics of semiconductor microcavity lasers

Abstract

Microcavity semiconductor lasers are known for their inherent tight coupling between active material and light-field. The dynamic interaction between the carrier and the photon subsystems is influenced equally strong by both, the dynamics of carriers within the quantum-well and the intra-cavity light-field dynamics. In this work, we develop theoretical models and investigate the nonlinear spatio-temporal behaviour of two prominent types of microcavity lasers, the vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and the vertical extended cavity surface-emitting laser (VECSEL).

Today's aim to build faster and more powerful semiconductor laser devices goes hand in hand with a miniaturisation of the semiconductor laser structures down to the nanometerscale. Difficult even for simple bulk semiconductor devices, the even tighter coupling of the carrier and light-field sub-systems with respect to time- and length-scales disallow a separate dynamical treatment of the physical processes which take place within such novel microcavity semiconductor lasers. Due to their flexibility and their physical nature, time-domain simulations constitute an appropriate tool for targeting the entangled dynamics within the cavity, the structure and the active quantum-wells. We predict that along with the technological progress of microcavity semiconductor lasers and the availability of inexpensive computing power time-domain methods will gain more importance and constitute a valuable tool to analyse the optical and electronic properties of these devices.

Mikroresonator Halbleiterlaser sind durch eine starke interne Kopplung von aktivem Material und Lichtfeld charakterisiert. Die dynamische Wechselwirkung zwischen dem Ladungsträger- und dem Photonensystem wird dabei sowohl durch die dynamischen Eigenschaften der Ladungsträger im Quanten-Well als auch durch die Lichtfelddynamik innerhalb des Mikroresonators beeinflußt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden und Modelle erlauben es uns die nichtlinearen raumzeitlichen Eigenschaften von zwei ausgewählten Mikroresonator-Lasern zu untersuchen: dem vertikal- Resonator oberflächenemittierenden Halbleiter Laser (VCSEL) und dem optisch gepumpten oberflächenemittierenden Halbleiter Laser mit externem Resonator (VECSEL).

Die Zielsetzung schnellere und leistungsstärkere Halbleiterlaser zu entwickeln, geht Hand in Hand mit einer Miniaturisierung der Laserstrukturen bis in den Nanometerbereich. Eine entkoppelte theoretische Beschreibung, welche selbst für einfachste Halbleiterlaser nur beschränkte Gültigkeit besitzt, wird durch die immer engere Verzahnung der lokalisierten Ladungsträger und der Resonatormoden, sowohl in räumlicher als auch in zeitlicher Hinsicht, erschwert. Die hier vorgestellten Methoden bilden eine flexible Basis, um die verschiedenen physikalischen Prozesse und ihr Wechselspiel auf natürliche Weise in einem Bottom-Up Ansatz zu integrieren. Durch eine wachsende Verfügbarkeit leistungsstarker und kostengünstiger Rechenplatformen wird eine direkte Lösung der Bewegungsgleichungen im Zeitraum zukünftig an Attraktivit gewinnen und die technologischen Entwicklung immer neuer Mikroresonator Halbleiterlaser als ein verläßliches Werkzeug zur Untersuchung derer optischen und elektronischen Eigenschaften begleiten.