Optische Verstärkung in Halbleitern
Optische Verstärkung durch Inversion in einem aktiven Material ist die Grundvoraussetzung für den Betrieb bei gewöhnlichen Halbleiterlasern. Eine genaue Kenntnis der optischen Verstärkung im aktiven Halbleiter ist deshalb unbedingt erforderlich für die Laserentwicklung. Darüber hinaus bietet die Kenntnis der Verstärkung neue Möglichkeiten in der Laserentwicklung, die durch übliche Photolumineszenzmessungen alleine nicht erreicht werden können. Zum Beispiel benötigt man einerseits eine möglichst hohe Verstärkung um niedrige Schwellen zu erreichen, andererseits ist ein möglichst breites Verstärkungsspektrum wichtig für die Temperaturstabilität, besonders bei oberflächenemittierenden Lasern (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL). Eine große differentielle Verstärkung ist wiederum der entscheidende Parameter für eine schnelle Laserdynamik. Die Verstärkung muss deshalb abhängig zu der jeweiligen Anwendung optimiert werden, um eine optimale Performanz des Lasers zu erzielen.
In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir verschiedene Techniken zur Messung der optischen Verstärkung. Zum Beispiel die verbreitete Methode nach Hakki und Paoli, eine selbst entwickelte Transmissionsmethode oder die rein optische Strichlängen-Methode. Die Verwendung verschiedener Methoden erlaubt uns die Verstärkung an einer Vielzahl an unterschiedlichen Proben zu messen, angefangen beim voll entwickelten und prozessierten Laserbauelement bis zu unprozessieren Photolumineszenzprobe aus einem frühen Stadium der Materialentwicklung. Wir könne temperatur- und polarizationsabhängige Verstärkungsspektren im gepulsten und im Dauerbetrieb vermessen, um detaillierte Informationen für den Verstärkungsmechanismus und die zugrundeliegenden Übergange und Energiezustände zu erlangen.
Darüber hinaus können experimentelle Daten aus unserer Gruppe in den Gruppen von S.W. Koch, Universität Marburg, und J. Moloney, University of Arizona, Tucson, USA mit Rechnungen verglichen werden, die auf einer mikroskopischen Vielteilchentheorie basieren. Solche Experiment-Theorie Vergleiche führen zu einem genaueren Verständnis vom Verstärkungsmechanismus und können für eine direkte Weiterentwicklung und Optimierung des Lasermaterials verwendet werden. Unsere Arbeiten konzentrieren sich momentan hauptsächlich auf Untersuchung der optischen Verstärkung in neuen Materialsystemen wie das metastabile GaInNAs System oder Quantenpunkt Systeme.
Referenz:
- M.R. Hofmann et al., Emission dynamics and optical gain of 1.3µm (GaIn)(NAs)?GaAs lasers, IEEE J. Quantum Electron. 38, 213 (2002).
- J Hader et al., Quantitative prediction of semiconductor laser characteristics based on low intensity photo luminescence measurements, IEEE Photon. Technol. 14, 762 (2002).
- N.C. Gerhardt et al., Linewidth enhancement factor and optical gain in (GaIn)(NAs)?GaAs lasers, Appl. Phys. Lett. 84, 1 (2004).
- N.C. Gerhardt et al., Experimental analysis of the optical gain and linewidth enhancement factor of GaInNAs/GaAs lasers, J. Phys.: Condens. Matter 16, 1 (2004).
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