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Main Title: Optical injection of High-β Quantum Dot Micropillar Lasers
Translated Title: Optische Injektion von Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasern mit hohem β-Faktor
Author(s): Schlottmann, Elisabeth Anna Katharina
Advisor(s): Reitzenstein, Stephan
Referee(s): Reitzenstein, Stephan
Grillot, Frédéric
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The huge progress in laser miniaturization opens new fields of research at the crossroads between nanophotonics and nonlinear dynamics. Cavity-enhanced microcavities exhibit lasing close to the quantum regime and are excellent testbeds for exploring nonlinear dynamics at the low-power limit by optical injection. Quantum dot micropillar lasers exhibit a bimodal behavior that features intrinsic dynamics and intriguing photon statistics. In the present thesis, the photon number distribution of two qualitatively different types of microlasers is investigated and injection locking of quantum dot micropillar lasers is explored. The photon statistics is an important measure for the evidence of lasing in high-β microlasers operating at sub-μW light powers. Utilizing the outstanding photon detection capabilities of transition-edge sensors, the full photon number distribution of microlaser is measured for the first time to obtain profound insight into the emission dynamics of these nanophotonic devices. For bimodal quantum dot micropillar laser, two cases are distinguished. In the first case of a stable microlaser, one polarization mode undergoes a transition from thermal emission below threshold to a lasing state above threshold. Meanwhile, the other polarization mode transfers to a non-lasing thermal state. In the second case of a bistable quantum dot micropillar, both polarization modes have the potential to reach the lasing regime and the photon number distribution exhibits a superposition of a thermal and a coherent distribution in a single measurement. This behavior was inaccessible with common experimental techniques and is revealed by the photon number distribution. The second type of microlaser under investigation is an exciton-polariton laser which is based on stimulated scattering and Bose-Einstein condensation of quasi-particles and not on population inversion as it is required for conventional photon lasers. The transition to lasing is investigated by means of the photon number distribution. The photon statistics exhibits a coherence buildup well described by thermal-coherent states. Slight deviations from the model can serve as the starting point for the examination with competing theories. In the following experiments, quantum dot micropillar lasers are subject to optical injection. A single-mode microlaser reveals locking to the master laser. However, at the boundaries, the microlaser discloses a ’partial locking’ to the master laser which is a novel effect of the enhanced spontaneous emission. Optical injection into the non-lasing mode pushes this mode to lasing. Moreover, optical injection causes stochastic mode switching between the modes, depending on their relative strength and spectral detuning. In summary, measurements of the photon statistics and optical injection experiments reveal new dynamics of microlasers and yield deeper insights into their physics. The results of this thesis have high potential to pave the way for the control of dynamics close to the quantum regime which is crucial for future applications, e.g. in photonic reservoir computing.
Der enorme Fortschritt in der Laserminiaturisierung eröffnet neue Forschungsansätze im Spannungsfeld zwischen Nanophotonik und nichtlinearer Dynamik. Resonatorverstärkte Mikrokavitäten führen zu Laseremission nahe des Quantenregimes und eignen sich daher hervorragend als Versuchsobjekte, um durch optische Injektion an der unteren Leistungsgrenze die nichtlineare Dynamik zu erforschen. Quantenpunkt-Mikrosäulen-Laser zeigen ein bimodales Verhalten, welches sich durch intrinsische Dynamik und faszinierende Photonenstatistiken auszeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Photonenzahlverteilung zweier qualitativ unterschiedlicher Typen von Mikrolasern und optische Injektion von Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasern untersucht. Die Photonenstatistik ist ein wichtiges Maß für den Nachweis von Laseremission in Mikrolasern mit einem hohem β-Faktor, welche mit Leistungen unterhalb des μW-Regimes arbeiten. Unter Ausnutzung der hervorragenden Photonendetektionseigenschaften von supraleitenden Phasenübergangsthermometern (Transition-Edge Sensors) wird die vollständige Photonenzahlverteilung von Mikrolasern zum ersten Mal gemessen. Dadurch ergibt sich ein tieferer Einblick in die Emissionsdynamik von Mikrolasern. Im Zusammenhang mit bimodalen Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasern werden zwei Fälle unterschieden. Im ersten Fall eines stabilen Mikrolasers geht die eine Polarisationsmode von einer thermischen Emission unterhalb der Laserschwelle in einen lasenden Zustand oberhalb der Laserschwelle über. Währenddessen geht die andere Polarisationsmode in einen nicht-lasenden Zustand über. Im zweiten Fall eines bistabilen Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasers können beide Polarisationsmoden das Laserregime erreichen und die Photonenzahlverteilung zeigt eine Überlagerung einer thermischen und einer kohärenten Verteilung in einer Einzelmessung. Dieses Verhalten war unzugänglich mit üblichen experimentellen Techniken und wurde durch die mittels eines supraleitenden Phasenübergangsthermometers gemessene Photonenzahlverteilung aufgedeckt. Der zweite hier untersuchte Mikrolasertyp ist ein Exziton-Polariton-Laser. Dieser beruht auf stimulierter Streuung und Bose-Einstein-Kondensation von Quasiteilchen und steht damit im Gegensatz zu einem herkömmlichen Photonenlaser, welcher auf Besetzungsinversion basiert. Der Übergang zu Lasing wird anhand der Photonenzahlverteilung untersucht. Die Photonenstatistik zeigt einen durch thermisch-kohärente Mischzustände gut beschriebenen Kohärenzaufbau. Geringe Abweichungen vom Modell können als Ausgangspunkt für die Überprüfung konkurrierender Theorien dienen. In den folgenden Experimenten werden Quantenpunkt-Mikrosäulen-Laser optisch injiziert. Dabei zeigt sich eine Phasen- und Frequenzangleichung eines Einzelmoden-Mikrolasers an den Master-Laser. An den Grenzen offenbart der Mikrolaser jedoch eine "teilweise Angleichung" an den Master-Laser. Letzteres stellt einen neuartigen Effekt, hervorgerufen durch die verstärkten spontanen Emission dar. Die optische Injektion treibt die nichtlasende Mode in einen lasenden Zustand. Darüber hinaus bewirkt die optische Injektion eine stochastische Umschaltung zwischen den Moden in Abhängigkeit von ihrer relativen Stärke und der spektralen Verstimmung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Messungen der Photonenstatistik und Experimente zur optischen Injektion neue Dynamiken von Mikrolasern aufzeigen und tiefere Einblicke in ihre Physik geben. Die Ergebnisse dieser Dissertation weisen ein hohes Potential auf, den Weg für die Kontrolle der Dynamik von Mikrolasern nahe des Quantenregimes zu ebnen. Dies ist für zukünftige Anwendungen, wie beispielsweise im Reservoir Computing, von entscheidender Bedeutung.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10674
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9577
Exam Date: 20-Dec-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 7-Feb-2020
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): microlaser
optical injection
quantum dot laser
laser dynamics
photon statistics
Mikrolaser
optische Injektion
Quantenpunktlaser
Laserdynamik
Photonenstatistik
Sponsor/Funder: ERC/FP7/615613/EU/External Quantum Control of Photonic Semiconductor Nanostructures/EXQUISITE
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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