Quantum dot microlasers subject to delayed optical feedback

dc.contributor.advisorReitzenstein, Stephan
dc.contributor.authorHolzinger, Steffen Karl
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeReitzenstein, Stephan
dc.contributor.refereeLippi, Gian Luca
dc.date.accepted2019-10-29
dc.date.accessioned2019-12-18T09:14:11Z
dc.date.available2019-12-18T09:14:11Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractSemiconductor lasers have been found to be extremely sensitive to back reflections of there own light emission. While corresponding laser reflections are mostly considered a disturbance for many applications, their underlying physics have been an important and attractive research topic in the field of nonlinear dynamics for many years. So far the complex dynamics of feedback-coupled semiconductor lasers have been investigated both theoretically and experimentally mainly in the classical regime at optical output powers on the order of 1mW and above. In comparison, nonlinear feedback effects in the region of low light intensities and especially the quantum regime of single photons constitute new scientific territory. In this regard, electrically pumped quantum dot micropillar lasers provide a versatile technology platform for the realization of delay-coupled experiments in the field of cavity quantum electrodynamics. Therefore, they allow for the first time to establish a bridge between the scientific fields of nanophotonics and nonlinear laser dynamics. Here, single emitter effects and additional noise contributions caused by a high rate of spontaneous emission into the lasing mode become of significant importance. In this thesis, we examine nonlinear dynamical effects in quantum dot microlasers with high spontaneous emission coupling efficiencies in the presence of external optical feedback. This includes the influence of optical feedback on both the optical spectrum as well as the photon statistics of the microlaser. It is of particular interest to investigate the bimodal character of the micropillar resonators, in which two linear, orthogonally polarized modes compete for a common gain medium resulting in characteristic switching dynamics above the lasing threshold. In the presence of an external cavity in the incoherent regime, i.e. with a delay time greater than the coherence time of the microlaser, we experimentally investigate the influence of different pump current conditions and varying feedback strength on these mode dynamics, which are successfully described via numerical modeling with a semi-classical rate equation model. The corresponding theoretically deduced predictions in turn can be used as general guidelines for the sensitivity of micropillar lasers to optical feedback. In addition to investigations of the laser dynamics with autocorrelation measurements, we record the photon-number distribution of the emission directly with a transition-edge sensor detector, which allows an analysis of the feedback effects on the stability of the modes. Afterwards, we examine delayed coherent feedback in the limit of a short external cavity. Here, one studies the influence of the external cavity length, which is similar to the microlaser’s coherence length, on the spectral and dynamical properties of the micropillar laser. In particular, the transition from coherent to incoherent feedback is investigated including a detailed analysis of the phase sensitivity of the feedback-coupled light. Furthermore, we extract the relaxation oscillation frequency of micropillar lasers of different diameters by superimposing optical pulse injection to the direct current. This frequency is a crucial figure of merit in the theoretical description of the turn-on and feedback dynamics of lasers. Additionally, the optical pulse can be used to reset the feedback-coupled laser so that it reaches the same state as if no feedback was present. The system returns to the “stationary” feedback condition after one cavity round-trip of the emission pulse. Finally, we introduce a versatile experimental setup that allows for simultaneous lateral and axial excitation and detection. We hereby determine the linewidth enhancement factor alpha in dependence of the pump current for the first time in microlasers. This is another crucial parameter for describing the spectral and dynamical properties of semiconductor lasers. The presented method is based on a direct measurement of variations in the laser gain and emission spectrum when subject to delayed optical feedback. Therefore, this technique is not only promising for quantum dot micropillar lasers but also high-beta nanolasers in general. Our approach is evaluated by comparing it to established conventional methods of determining alpha as well as numerical simulations based on a quantum optical model. Additionally, this configuration is exploited for simultaneous lateral optical injection and axial feedback. Here feedback-coupling is shown to enhance the noise in the lasing mode leading to a wider range of partial injection locking. The latter is an interesting phenomenon that is understood by the high spontaneous emission rate which is enhanced in the cavity. The presented results provide a deeper understanding of feedback-induced phenomena in micropillar lasers in the novel region of ultra-low light powers on the order of nW to µW. By extracting several crucial system parameters, we obtain the requirements for tailoring the photon statistics and nonlinear dynamics of high-beta microlasers. Moreover, the investigations close to the quantum limit pave the way for future studies on the external control of nanophotonic quantum systems.en
dc.description.abstractHalbleiterlaser reagieren sehr empfindlich auf die Rückkopplung ihrer eigenen Lichtemission. Während entsprechende Laserreflektionen in vielen Anwendungen als nachteilig angesehen werden, ist die zugrunde liegende Physik schon seit vielen Jahren ein wichtiges und attraktives Forschungsthema im Feld der nichtlinearen Dynamik. Bisher wurde die komplexe Dynamik solcher rückgekoppelter Halbleiterlaser sowohl in der Theorie als auch in Experimenten hauptsächlich im klassischen Regime bei Lichtleistungen im Bereich von mW und darüber untersucht. Im Vergleich dazu stellen nichtlineare Rückkopplungseffekte im Bereich geringer Lichtleistungen und vor allem das Quantenregime einzelner Photonen weitestgehend unerforschtes wissenschaftliches Neuland dar. Elektrisch betriebene Quantenpunkt-Mikrosäulenlaser bieten in diesem Zusammenhang eine vielseitige Technologieplattform, um Rückkopplungsexperimente im Regime der Kavitäts-Quantenelektrodynamik zu realisieren. Sie erlauben es damit erstmals, eine Brücke zwischen den Forschungsfeldern der Nanophotonik und der nichtlinearen Laserdynamik zu etablieren. Hier bekommen insbesondere die Effekte einzelner Emitter sowie zusätzliches Rauschen aufgrund einer hohen Rate der spontanen Emission in die Lasermode eine zentrale Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir nichtlineare dynamische Effekte in Quantenpunkt-Mikrolasern mit hohen Kopplungseffizienzen der spontanen Emission unter externer optische Rückkopplung. Dies beinhaltet zunächst den Einfluss optischer Rückkopplung sowohl auf das optische Spektrum als auch auf die Photonenstatistik der Mikrolaser. Von besonderem Interesse ist der bimodale Charakter der untersuchten Mikrosäulenresonatoren, in denen zwei linear, orthogonal zueinander polarisierte Moden um das gemeinsame Verstärkungsmedium konkurrieren, was zu einem stochastischen Umschalten zwischen den Moden oberhalb der Laserschwelle führen kann. In Gegenwart einer externen Kavität im inkohärenten Regime, das heißt mit einer Rückkopplungszeit oberhalb der Kohärenzzeit des Mikroasers, untersuchen wir experimentell den Einfluss des Pumpstroms und der Rückkopplungsstärke auf diese Modendynamik, welche über die numerische Modellierung durch ein semi-klassisches Ratengleichungsmodell erfolgreich beschrieben wird. Entsprechend theoretisch abgeleitete Vorhersagen können wiederum als Richtlinien für die Empfindlichkeit von Mikrosäulenlasern gegenüber externer optischer Rückkopplung genutzt werden. Zusätzlich zur Untersuchung der Laserdynamik mittels Autokorrelationsmessungen wird die Photonenzahl-Verteilung der Emission auch direkt mittels eines kalorimetrischen Detektors aufgenommen, was eine Untersuchung des Einflusses der Rückkopplungseffekte auf die Modenstabilität zulässt. Darüber hinausgehend wird die zeitverzögerte, kohärente Rückkopplung für den Grenzfall einer kurzen externen Kavität analysiert. Hierbei wird der Einfluss der Länge der externen Kavität, die vergleichbar mit der Kohärenzlänge des Mikrolasers ist, auf spektrale und dynamische Eigenschaften des Mikrosäulenlasers untersucht. Dabei wird insbesondere der Übergang von kohärenter zu inkohärenter Rückkopplung erforscht, was eine detaillierte Studie des Einflusses der Phase des rückgekoppelten Lichts beinhaltet. Des Weiteren bestimmen wir die Relaxationsoszillations-Frequenz von Mikrosäulenlasern verschiedener Durchmesser, indem wir in den Mikrolaser im Gleichstrombetrieb einen externen optischen Puls injizieren. Diese Frequenz stellt eine wichtige Gütezahl in der theoretischen Beschreibung der Anschalt- und Rückkopplungsdynamik von Lasern dar. Man kann den optischen Puls zusätzlich nutzen, um den rückgekoppelte Laser auf den rückkopplungsfreien Zustand zurückzusetzen. Das System kehrt dann nach einem Umlauf des Emissionspulses in der externen Kavität in den „stationären“ Rückkopplungszustand zurück. Schließlich wird ein vielseitiger Messaufbau vorgestellt, der sowohl laterale als auch axiale Anregung und Detektion ermöglicht. Hiermit kann der Linienverbreiterungsfaktor alpha erstmals in Abhängigkeit des Pumpstroms für Mikrolaser bestimmt werden. Dieser ist ein weiterer wesentlicher Parameter für die Beschreibung spektraler und dynamischer Eigenschaften von Halbleiterlasern. Die vorgestellte Methode basiert dabei auf einer direkten Messung der Änderung der Verstärkung des Lasers sowie seines Emissionsspektrums unter optischer Rückkopplung. Dieses Verfahren ist daher nicht nur verheißungsvoll für Quantenpunkt-Mikrolaser, sondern auch für Nanolaser im Allgemeinen. Der vorgestellte Ansatz wird durch einen Vergleich mit etablierten Methoden zur Bestimmung von alpha sowie einem quantenoptischen Modell evaluiert. Darüber hinaus wird die entwickelte Messkonfiguration verwendet, um eine gleichzeitige laterale optische Injektion und axiale Rückkopplung zu ermöglichen. Es wird gezeigt, dass die Rückkopplung zur Verstärkung des Rauschens in der Lasermode führt, was wiederum zu einem vergrößerten Bereich von teilweise synchronisierter Emission führt. Letzteres ist ein interessantes Phänomen, das durch einen hohen Anteil spontaner Emission erklärt werden kann, die in der Kavität verstärkt wird. Die vorgestellten Resultate vermitteln ein tiefes Verständnis für Rückkopplungsphänomene in Mikrosäulenlasern in der neuartigen Region ultrageringer Lichtleistungen im Bereich von nW bis µW. Durch die Bestimmung verschiedener wichtiger Parameter können die Voraussetzungen ermittelt werden, die für eine gezielte Manipulation der Photonenstatistik und Dynamik von Mikrolasern mit hohem beta-Faktor erforderlich sind. Darüber hinaus sind diese Untersuchungen nahe dem Quantenlimit wegweisend für zukünftige Studien zur externen Kontrolle von nanophotonischen Quantensystemen.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10376
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9336
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc530 Physikde
dc.subject.otherquantum dotsen
dc.subject.othermicrolasersen
dc.subject.otherhigh-beta lasingen
dc.subject.otheroptical feedbacken
dc.subject.othernon-linear dynamicsen
dc.subject.otherQuantenpunktede
dc.subject.otherMikrolaserde
dc.subject.otherhoher beta-Faktor Laserde
dc.subject.otheroptische Rückkopplungde
dc.subject.othernichtlineare Dynamikde
dc.titleQuantum dot microlasers subject to delayed optical feedbacken
dc.title.translatedQuantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzögerter optischer Rückkopplungde
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Festkörperphysik::AG Optoelektronik und Quantenbauelementede
tub.affiliation.facultyFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaftende
tub.affiliation.groupAG Optoelektronik und Quantenbauelementede
tub.affiliation.instituteInst. Festkörperphysikde
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