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Submonolayer-grown quantum dots for nonlinear device applications
Herzog, Bastian
The submonolayer (SML) growth method was developed as an alternative to the established Stranski-Krastanow (SK) technique in order to produce quantum dots (QDs) with higher areal density and consequently larger optical gain. In this dissertation, fundamental and applied aspects of SML-grown QDs as active media in optoelectronic devices are investigated using different optical spectroscopy methods.
While application-relevant properties of SK QDs have been investigated comprehensively and possibilities and limitations were highlighted, the full potential of SML QDs has not yet been fully exploited. In the context of this work, devices with two different types of SML QD types were investigated: InAs/GaAs structures with and without the alloy of antimony (Sb). Integrated into optical semiconductor amplifiers, remarkably fast gain recovery dynamics on a single-digit picosecond time scales were observed. Using microscopically motivated rate equation modeling in cooperation with B. Lingnau (TU Berlin), this could be attributed to an efficient coupling of the localization centers to a reservoir of unbound charge carriers. Additionally, these were identified to cause an accompanying large phase response of the system. Henry's alpha-parameter was used to quantify the coupling of amplitude and phase, which was up to five times higher than amplifiers based on SK QDs or quantum films (QWs). While a high value of alpha is parasitic for linear amplification, it is desirable for nonlinear operation.
In a study on semiconductor lasers, an increase in threshold current and gain bandwidth, as compared to QW-based lasers was observed. This is mainly attributed to the inhomogeneous broadening of the QD sizes, which in particular for the Sb-alloyed structures is further extended by an additional deeper exciton state. The high nonlinearity expressed in alpha was finally exploited via application of time-delayed optical feedback to SML QD based lasers, which successfully to drove the laser into a regime of chaotic pulsations.
Die Submonolagen (SML) Wachstumsmethode wurde als Alternative gegenüber der etablierten Stranski-Krastanov (SK) Technik entwickelt, um Quantenpunkte (QPe) mit höherer Dichte und damit einhergehend, höherem optischen Gewinn herzustellen. In dieser Dissertation werden mittels verschiedener optischer Spektroskopie-Methoden fundamentale und anwendungsrelevante Aspekte von SML-gewachsenen QPen als aktives Medium in optoelektronischen Bauelementen untersucht.
Während anwendungsnahe Eigenschaften von SK QPen weitgehend erforscht und Möglichkeiten und Grenzen herausgestellt wurden, sind bei SML QPen noch nicht alle Potentiale ausgeschöpft. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Bauelemente mit zwei verschiedenen Arten von SML QP Arten untersucht: reine -, sowie mit Antimon (Sb) legierte InAs/GaAs Strukturen. Eingebracht in optische Halbleiterverstärkern, wurde eine besonders schnelle Gewinndynamik auf einstelliger Pikosekunden-Zeitskala beobachtet. Anhand von Ratengleichungsmodellierungen von B. Lingnau (TU Berlin) konnte diese auf eine effiziente Kopplung der Lokalisierungszentren an ein Reservoir ungebundener Ladungsträger zurückgeführt werden. Diese wurden zusätzlich als Ursache für eine ungewöhnlich große Phasenantwort des Systems identifiziert.
Mit Hilfe von Henry’s alpha-parameter konnte die Kopplung von Amplitude und Phase quantifiziert werden, welche im Vergleich zu Verstärkern basierend auf SK QPen oder Quantenfilmen (QFen) einen bis zu fünffachen Wert annahm. Während dieser hohe Wert für lineare Verstärkung parasitär wirkt, ist er im Falle von nichtlinearem Betrieb durchaus wünschenswert.
In einer Studie an Halbleiterlasern wurde eine Erhöhung des Schwellstroms und der Gewinnbandbreite im Vergleich zu QF-basierten Lasern beobachtet. Dies wird vorwiegend auf die inhomogene Verbreiterung der SML QP-Größen zurückgeführt, welche im Falle von Sb-legierten SML QPen noch durch einen zusätzlichen tieferen Zustand erweitert wird. Die hohe Nichtlinearität in Form von alpha wurde schließlich ausgenutzt, um mittels zeitverzögerter optischer Rückkopplung erfolgreich chaotische Laserfluktuation zu erzeugen.
