Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3848
Main Title: Influence of phonons on light emission and propagation in semiconductor nano optics
Translated Title: Einfluss von Phononen auf Lichtemission und -propagation in der Halbleiter-Nanooptik
Author(s): Dachner, Matthias-René
Advisor(s): Knorr, Andreas
Referee(s): Knorr, Andreas
Bandelow, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die optischen Eigenschaften von Halbleiter Quantenpunkten, speziell in Hinblick auf Anwendungen in optischen Verstärkern, sollen in dieser Arbeit näher beleuchtet werden. Auf Quantenpunkten basierte Optische Verstärker können als nichtlineare Bauelemente betrieben werden. In diesem Regime findet eine Umformung der optischen Pulse durch sättigbaren Gewinn und Verlust, externen Pumpen sowie Dispersion. In Festkörpern werden durch Phononen Verluste erzeugt. Jedoch können Phononen auch beim Einfangen der Ladungsträger in den Quantenpunkt eine Rolle spielen und sind somit auch für das Pumpen verantwortlich. In dieser Arbeit wird pure Dephasierung, also die Dekohärenz ohne Veränderung der Besetzung der Zustände, mittels des Modells unabhängiger Bosonen (independent boson model) untersucht. Der Einfluss von Phononen auf die Form linearer optischer Spektren wird in Hinblick auf den Einfluss der Wellenfunktionen als auch der Dispersion der Phononen näher betrachtet. Dazu werden, auf Grundlage von mikroskopischen Wellenfunktionen als auch einfachen Modellwellenfunktionen, Spektren berechnet und verglichen. Die Auswirkung verschiedener Wellenfunktionsgrößen und intrinsischer Dipolmomente, d.h.sprich Abständen zwischen den Elektron- und Loch-Wellenfunktionsschwerpunkten, wird für die typischen Wechselwirkungsmechanismen Deformationspotentialkopplung und Piezoelektrische Kopplung an akustische Phononen, sowie polare Kopplung an optische Phononen untersucht. In optischen Quantenpunktspektren ist die Phononendispersionsrelation von Bedeutung. Durch die räumliche Einschränkung spielen höhere Phononwellenzahlen eine größere Rolle. Die typischen Näherungen der Phonondispersion für kleine Wellenzahlen nach Einstein und Debye werden mit realistischeren Näherungen verglichen. Als Nächstes wird der von Phononen assistierte Einfang von Ladungsträgern besprochen. Der Einfangprozess wird mit einem effektiven Hamiltonoperator beschrieben, der störungstheoretisch innerhalb eines Projektionsoperatorformalismus hergeleitet wird. Dies führt zu einer Ratengleichung mit temperaturabhängigen Streuraten. Die optische Antwort der Quantenpunkte wird durch ihre Ladungsträgerdynamik bestimmt. Zur Berechnung dieser Dynamik werden die nicht-resonanten optischen Blochgleichungen verwendet. Mit dem Ziel die adiabatische optische Antwort analytisch zu beschreiben, werden die Blochgleichungen störungstheoretisch, in den verschiedenen Bereichen: konservatives Regime (vernachlässigbare Verluste), Regime des langsamen Pumpens (signifikante Dephasierung, viel schwächere Relaxation), sowie Regime des schnellen Pumpens (Dephasierung und Relaxation sind in der gleichen Größenordnung), entwickelt. Schließlich wird die Ausbreitung optischer Pulse durch ein Quantenpunktmedium mit Hilfe der zuvor mikroskopisch berechneten adiabatischen optischen Antwort beschrieben. Die Ausbreitung ist als generalisierte Ginzburg-Landau Gleichung mit mikroskopische hergeleiteten Parametern im konservativen, als auch im dissipativen Regime. Diese Wellengleichungen werden auf die Existenz von dissipativen Solitonen untersucht.
In this work the optical properties of semiconductor quantum dots (QDs) with regard to their application in optical amplifiers are investigated. Quantum dot semiconductor optical amplifiers (SOAs) can be operated as non-linear optical devices. In this regime the propagation of an optical pulse through an SOA may result in a reshaping of the pulse determined by the interplay of effects such as saturable gain and loss, external pumping and dispersion. without a change of the levels' occupations, is investigated on the basis of the independent boson model. The influence of phonons on the shape of linear optical spectra with respect to the wave functions as well as the phonon dispersion relation is examined. Therefore, the resulting spectra of microscopically calculated wave functions as well as simple model wave functions are compared. The impact of the wave function parameters size and internal dipole moment, i.e. displacement between the centers of mass of electron and hole wave function, are investigated for the typical coupling mechanisms deformation potential coupling, piezoelectric coupling for acoustic phonons and polar coupling to optical phonons. For optical spectra of QDs the phonon dispersion relation is important. Due to the spatial confinement, higher phonon wavenumbers gain importance, thus the typical Debye and Einstein assumptions are compared to more realistic model dispersion relations. Next, the phonon assisted carrier capturing is discussed. The capture process is described via an effective multiphonon Hamiltonian, that is perturbatively derived within a projection operator formalism. This leads to a rate equation with temperature dependent scattering rates. The optical response of QDs is determined by the carrier dynamics. To calculate the dynamics, the non-resonant QD optical Bloch equations are investigated. With the aim of an analytical expression for the adiabatic response, the microscopical polarization is described by a perturbative series for the regimes: conservative (negligible losses),slow pumping (dephasing much stronger than relaxation processes) and fast pumping (dephasing and relaxation of the same magnitude). Finally, an electric field propagating through a QD medium is described using the microscopically derived adiabatic response. The propagation is formulated in terms of a generalized Ginzburg-Landau equation with parameters on a microscopic footing for the conservative as well as the dissipative regime. Those wave equations are investigated for the existence of (dissipative) solitons.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-43062
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4145
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3848
Exam Date: 23-Oct-2013
Issue Date: 20-Nov-2013
Date Available: 20-Nov-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiter Quantenpunkt
Nichtlineare Optik
Phonon
Soliton
Nonlinear optics
Phonon
Semiconductor quantum dot
Soliton
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/
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