Microscopic spatio-temporal dynamics of semiconductor quantum well lasers and amplifiers

Abstract

This work discusses light-matter interaction and optical nonlinearities in semiconductor nanostructures and presents a detailed numerical analysis of the spatio-temporal dynamics in novel high-power diode lasers. We derive a microscopic, spatially resolved model that combines a density matrix approach to the carrier and gain dynamics in semiconductor quantum well gain media with the macroscopic Maxwell equations for the electromagnetic field dynamics. We present Maxwell semiconductor Bloch equations in full time-domain that cover many-body interactions, a diversity of time scales and gain saturation mechanisms, and comprise the fast-oscillating carrier wave and a sub-wavelength spatial resolution. Our work focuses on ultrafast carrier effects, a quantitative understanding of optical nonlinearities, the engineering of the mode structure in microcavities, and their impact on the laser emission characteristics. Optical dephasing and carrier relaxation due to the screened Coulomb interaction and scattering with phonons are explored in detail. This work aims to improve the quantitative understanding of lasing systems of technological or fundamental relevance by performing numerical experiments: Within the framework of the paraxial wave approximation, we study the excitation of multiple transverse modes, multi-mode dynamics and the occurrence of unstable optical filaments in broad area edge-emitting lasers. We analyse vertical cavity surface-emitting laser devices with a periodically structured defect as an example of a photonic band edge band gap laser. In particular, we explore the utilisation of photonic crystal structures: gain enhancement for band edge modes and the reduction of optical losses. The complex interplay between the intracavity optical field and quantum well gain dynamics is investigated for realistic optically pumped external cavity surface-emitting laser structures. We also consider the interaction of high-intensity femtosecond and picosecond pulses with semiconductor optical amplifiers and absorbers. We identify the microscopic origin of the fast nonlinearities, obtain nonlinear gain coefficients and recovery rates, and analyse the nonlinear pulse reshaping, i.e. changes and asymmetries in the amplified pulse shape and spectrum. Built upon efficient numerical algorithms and the increased availability of inexpensive high-performance computing resources, our microscopic time-domain approach is well suitable for the engineering and design optimisation of modern nanostructured high-power diode lasers.

Diese Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Licht und Materie und optische Nichtlinearitäten in Halbleiter-Nanostrukturen und präsentiert eine detaillierte numerische Analyse der raumzeitlichen Dynamik von neuartigen Hochleistungsdiodenlasern. Wir entwickeln ein mikroskopisches, räumlich aufgelöstes Modell, welches eine Dichtematrix-Beschreibung der Ladungsträger- und Gewinndynamik in Halbleiter-Quantenfilmen mit den makroskopischen Maxwell Gleichungen für die elektromagnetische Felddynamik kombiniert: die Maxwell Halbleiter-Bloch Gleichungen in Full Time-Domain. Diese beinhalten Vielteilchen-Wechselwirkungen, eine Vielzahl an Zeitskalen und Gewinnsättigungsmechanismen und schließen die schnell oszillierende Trägerwelle und eine Subwellenlängen-Auflösung ein. Unsere Arbeit konzentriert sich auf ultraschnelle Ladungsträgereffekte, das quantitative Verständnis von optischen Nichtlinearitäten, die gezielte Manipulation der Modenstruktur in Mikrokavitäten, und deren Einfluß auf die Kenngrößen der Laserstrahlung. Optische Dephasierung und die Ladungsträgerrelaxation aufgrund der abgeschirmten Coulomb-Wechselwirkung und der Streuung mit Phononen werden im Detail behandelt. Diese Arbeit zielt, mit Hilfe von umfangreichen numerischen Experimenten, auf ein verbessertes quantitatives Verständnis von Lasersystemen von technologischer oder grundlegender Bedeutung: Die Anregung von höheren transversalen Moden, Multimode-Verhalten und das Auftreten von instabilen optischen Filamenten in kantenemittierenden Breitstreifenlasern werden im Rahmen der paraxialen Wellennäherung analysiert. Wir untersuchen vertikal emittierende Laserdioden (VCSEL) mit periodisch strukturiertem Defekt als Beispiel für einen photonischen Bandkanten-Laser. Insbesondere erforschen wir die Ausnutzung von photonischen Kristallstrukturen: die Gewinnüberhöhung für Bandkanten-Moden und die Reduzierung von optischen Verlusten. Das komplexe Wechselspiel zwischen resonatorinterner optischer Feld- und Quantenfilm-Gewinndynamik wird für realistische optisch gepumpte Oberflächenemitter mit vertikaler externer Kavität untersucht. Außerdem betrachten wir die Wechselwirkung von Femtosekunden- und Pikosekunden-Pulsen hoher Intensität mit Halbleiterlaserstrukturen. Wir bestimmen den mikroskopischen Ursprung der schnellen Nichtlinearitäten, gewinnen nichtlineare Gewinnkoeffizienten und Erholungsraten, und analysieren die nichtlineare Pulsformung, d.h. Änderungen und Asymmetrien in Form und Spektrum der verstärkten Pulse. Unser mikroskopischer Ansatz in der Zeitdomäne ist, aufbauend auf effizienten numerischen Algorithmen und der zunehmenden Verfügbarkeit kostengünstiger High Performance Computing-Ressourcen, gut geeignet für die Entwicklung und Designoptimierung von modernen nano-strukturierten Hochleistungsdiodenlasern.