Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4451
Main Title: Nonlinear and nonequilibrium dynamics of quantum-dot optoelectronic devices
Translated Title: Nichtlineare und Nichtgleichgewichtsdynamik von optoelektronischen Quantenpunktbauteilen
Author(s): Lingnau, Benjamin Clemens Oliver
Advisor(s): Chow, Weng W.
Referee(s): Lüdge, Kathy
Schöll, Eckehard
Chow, Weng W.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Dissertation werden die Dynamik und die Eigenschaften von optoelektronischen Bauteilen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten untersucht. Im ersten Teil wird die Dynamik von Quantenpunktlasern unter dem Einfluss externer Störungen diskutiert. Mithilfe eines mikroskopisch basierten Bilanzgleichungsmodells, das die detaillierten Ladungsträger-Streuprozesse und Nichtgleichgewichtszustände beschreiben kann, werden die Relaxationsoszillationen von Quantenpunktlasern untersucht. In Abhängigkeit von den Streuraten werden drei qualitativ unterschiedliche dynamische Bereiche identifiziert - der "constant-reservoir", der "overdamped", sowie der "synchronized" Bereich - die durch einen unterschiedlichen Grad des Nichtgleichgewichts zwischen Quantenpunkt- und Reservoirzuständen charakterisiert sind. Im Vergleich zu konventionellen Lasern treten wichtige Unterschiede bezüglich des Verhaltens unter Pumpstrommodulation und unter optischer Injektion oder Rückkopplung auf. Theoretische Modelle, die typischerweise zur Beschreibung dieser Anwendungen verwendet werden, liefern nur ungenaue Ergebnisse. Eine wichtige Konsequenz ist, dass die Amplituden-Phasen-Kopplung in Quantenpunktlasern, die häufig durch den $\alpha$-Faktor beschrieben wird, von diesem aufgrund der Desynchronisation von optischem Gewinn und Brechungsindexänderung abweicht. Dadurch werden dynamische Lösungen, insbesondere unter optischer Störung des Lasers, von etablierten Modellen nur ungenau beschrieben, und deren Ausdehnung überschätzt. Die geringe Empfindlichkeit von Quantenpunktlasern gegnüber optischen Störungen lässt sich daher teilweise mit dem Ladungsträgernichtgleichgewicht erklären. Drei Quantenpunktlasermodelle unterschiedlicher Komplexität werden vorgestellt, die die Nichtgleichgewichtsdynamik korrekt darstellen. Im zweiten Teil der Dissertation wird die Leistungsfähgkeit von Halbleiter-Quantenpunkt-basierten optischen Verstärkern in zwei unterschiedlichen Anwendungen untersucht. Die Grund- und angeregten Zustände der Quantenpunkte ermöglichen eine optische Verstärkung von optischen Datenströmen mit ultra-hoher optischer Bandbreite. Aufgrund der geringen Empfindlichkeit des Grundzustands bezüglich Änderungen der Ladungsträgerdichte können Signale auf den Grundzustandsfrequenzen generell mit höherer Signalqualität verstärkt werden können als auf dem angereten Zustand. Dennoch können Quantenpunktverstärker Signale in beiden Wellenlängenbereichen effektiv verstärken. Außerdem wird ein Parameterbereich identifiziert, der eine gleichzeitige Verstärkung von zwei Signalen im Frequenzbereich der beiden Quantenpunktzustände ermöglicht. Die lange Lebensdauer der mikroskopischen Polarisation in Quantenpunkten ermöglicht quantenkohärente Wechselwirkungen auf einer makroskopischen Skala bei Zimmertemperatur. Anhand eines Vergleichs mit experimentellen Ergebnissen wird das Auftreten von Rabioszillationen bei der Verstärkung von ultrakurzen optischen Pulsen gezeigt. Quantenpunktbauteile könnten daher in Zukunft Anwendungen ermöglichen, die auf quantenkohärenten Effekten beruhen.
In this thesis the dynamics and performance of optoelectronic devices based on semiconductor quantum-dots are investigated. In the first part, the dynamics of quantum-dot lasers under external perturbations is discussed. Using a microscopically based balance equation model that incorporates detailed charge-carrier scattering dynamics and the possibility to describe nonequilibrium between intra-band electronic states, the relaxation oscillations of the quantum-dot laser are investigated. Three qualitatively different dynamic regimes are identified in dependence of the scattering rates - the "constant-reservoir" regime for slow scattering, the "overdamped" regime, and the "synchronized" regime for high scattering - characterized by a varying degree of nonequilibrium between the quantum-dot and reservoir states. Important differences to conventional lasers are found in the modulation response and the dynamics in optical injection and feedback setups. Common theoretical models and approaches used to describe these applications are shown to yield inaccurate predictions, especially in the "constant-reservoir" and "overdamped" dynamic regimes. An important consequence is that the amplitude-phase coupling in quantum-dot lasers, commonly described by the alpha-factor, differs from conventional descriptions due to the desynchronization of gain and refractive index. While the alpha-factor describes bifurcations of fixed points accurately, it fails in describing dynamic solutions and overestimates the extent of complex dynamics. The observed low sensitivity to optical perturbations in quantum-dot lasers can therefore be attributed partly to the charge-carrier nonequilibrium. Three quantum-dot laser models on different levels of sophistication are presented that can accurately describe the quantum-dot nonequilibrium dynamics. In the second part of the thesis, the performance of quantum-dot semiconductor optical amplifiers is investigated, and two types of applications unique to quantum-dots as active medium are discussed. The ground and excited states of the quantum-dots allow an ultra-broad-band amplification of optical data streams. Amplified signals on the ground-state frequencies are shown to generally exhibit higher quality than on the excited state, due to a lower sensitivity of the ground-state to carrier-density variations. Nevertheless the quantum-dot amplifier is found to allow effective amplification on both frequency ranges. Furthermore, a parameter range is identified that allows for a simultaneous amplification of data signals on the ground and excited state in a counter-propagating setup. The long microscopically polarization dephasing times in quantum-dots are found to enable quantum-coherent interactions on a macroscopic scale at room-temperature. By comparison with experiments, the occurrence of Rabi-oscillations by amplification of ultra-short pulses is demonstrated. Quantum-dot based devices could therefore be used for future applications based on quantum-coherent effects.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66072
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4748
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4451
Exam Date: 13-Apr-2015
Issue Date: 3-Jun-2015
Date Available: 3-Jun-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiterlaser
Nichtlineare Dynamik
Optische Verstärker
Quantenpunkte
Nonlinear dynamics
Optical amplifiers
Quantum-dots
Semiconductor lasers
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