Single quantum dot lasers and coupled cavity arrays

• Applicants: Professor Dr. Christopher Gies; Professor Dr. Martin Kamp; Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas ; Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2015 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269240809

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Das gemeinsame Projekt dreier Projektpartner aus den Gebieten Probenherstellung, quantenoptische Spektroskopie und theoretische Modellierung hat Licht auf das bisher weitgehend unerforschte Gebiet von Nanolasern geworfen, die am Quantenlimit betrieben werden. Dies bedeutet, dass sowohl die Anzahl der Emitter im Gewinnmaterial des Lasers, als auch die Menge des ausgesandten Lichts minimiert wird. Zur Untersuchung der verschiedenen Aspekte von Nanolasern mit wenigen oder einzelnen Emittern wurden Mikrokavitäten mit Quantenpunkten als optisch aktives Medium verwendet, die an der Universität Würzburg in enger Kooperation mit den Partnern in Berlin und Bremen dimensioniert wurden. Die Probenherstellung erfolgte dann mittels Molekularstrahlepitaxie und anschließender Prozessierung der planaren Schichten zu Mikrosäulen-Resonatoren. Je nach Fragestellung lag dabei der Fokus auf Proben mit geringer Quantenpunktdichte, einer hohen Oszillatorstärke oder einer möglichst hohen Resonatorgüte bei gleichzeitig kleinen Modenvolumina. Für elektrisch kontaktierte Proben wurden Dotierprofile optimiert, um die Reduktion der Resonatorgüte durch Absorption an freien Ladungsträger zu begrenzen. Diese hoch-𝛽 Laser mit wenigen Quantenemittern in der aktiven Schicht zeigen nicht das konventionelle Verhalten eines Sprungs in der Intensität an der Laserschwelle. Vielmehr verlangt der Nachweis, dass sich tatsächlich Laserbetrieb einstellt, eine genauere Betrachtung verschiedener Charakteristika, auch im Bereich der Quantenoptik, die im Zusammenwirken eine eindeutige Identifikation der Laserschwelle zulassen. Die Expertise, die im Rahmen dieses Projekts sowohl in Fabrikation und Charakterisierung, als auch in der Modellierung erarbeitet wurde, ermöglicht inzwischen den gezielten Einsatz von Mikrosäulen-Nanolasern für neue Technologien, wie z.B. extern gekoppelte Mikrokavitätsarrays und Quanten-Reservoir Computer.

Publications

• A few-emitter solid-state multi-exciton laser, Scientific Reports 7, 7420 (2017)
  S. Lichtmannecker, M. Florian, T. Reichert, M. Blauth, M. Bichler, F. Jahnke, J. J. Finley, C. Gies, and M. Kaniber
  
• Emission from quantum-dot high-β microcavities: transition from spontaneous emission to lasing and the effects of superradiant emitter coupling, Light: Science & Applications (2017) 6, e17030
  Sören Kreinberg, Weng W Chow, Janik Wolters, Christian Schneider, Christopher Gies, Frank Jahnke, Sven Höfling, Martin Kamp and Stephan Reitzenstein
  
• Strong light-matter coupling in the presence of lasing, Phys. Rev. A 96, 023806 (2017)
  C. Gies, F. Gericke, P. Gartner, S. Holzinger, C. Hopfmann, T. Heindel, J. Wolters, C. Schneider, M. Florian, F. Jahnke, S. Höfling, M. Kamp, and S. Reitzenstein
  
• Controlling the gain contribution of background emitters in few-quantum-dot microlasers, New Journal of Physics 20, 023036 (2018)
  F. Gericke, M. Segnon, M. von Helversen, C. Hopfmann, T. Heindel, C. Schneider, S. Höfling, M. Kamp, A. Musiał, X. Porte, C. Gies, S. Reitzenstein
  
• Delayed formation of coherence in the emission dynamics of high-Q nanolasers, Optica 5, 395 (2018)
  Galan Moody, Mawussey Segnon, Isabelle Sagnes, Rémy Braive, Alexios Beveratos, Isabelle Robert-Philip, Nadia Belabas, Frank Jahnke, Kevin L. Silverman, Richard P. Mirin, Martin J. Stevens, and Christopher Gies
  
• Exploring the Photon-Number Distribution of Bimodal Microlasers, Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018)
  E. Schlottmann, M. von Helversen, H. A. M. Leymann, T. Lettau, F. Krüger, M. Schmidt, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Beyer, J. Wiersig, and S. Reitzenstein
  
• On thresholdless lasing features in high-β nitride nanobeam cavities: a quantum optical study, Nature Comm. 9, 564 (2018)
  Stefan T. Jagsch, Noelia Vico Triviño, Frederik Lohof, Gordon Callsen, Stefan Kalinowski, Ian M. Rousseau, Roy Barzel, Jean-François Carlin, Frank Jahnke, Raphaël Butté, Christopher Gies, Axel Hoffmann, Nicolas Grandjean, and S. Reitzenstein
  
• Quantum Dot Micropillar Lasers, Topical Review Article, Semiconductor Science and Technology 34, 7 (2019)
  Christopher Gies and Stephan Reitzenstein
  
• Physics and Applications of High‐β Micro‐and Nanolasers, Advanced Optical Materials 9, 2100415 (2021)
  H. Deng, G. L. Lippi, J. Mørk, J. Wiersig, S. Reitzenstein