Mikroskopische Beschreibung von Tunnelinjektions-Quantenpunktlasern

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Jahnke
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281512079

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung neuartiger Halbleiter-Laserstrukturen, welche das Potential haben, die glasfaserbasierte Datenübertragung, wie sie z.B. flächendeckend im Internet verwendet wird, deutlich zu verbessern. Der Aufbau dieser Laser basiert auf Tunnelinjektionsstrukturen (TIS) mit Quantenpunkten (QD) als aktivem Material und verspricht deutlich höhere Modulationsraten als mit den gegenwärtig verwendeten Halbleiterlasern möglich sind. Das Wirkungsprinzip dieser Strukturen basiert auf der gezielten Beeinflussung quantenmechanischer Wechselwirkungsprozesse und dem korrekten Zusammenspiel der verschiedenen nanoskaligen Komponenten. Hierzu zählen das Ensemble aus inhomogen verbreiterten QDs, die TIS-Barriere für die angeregten Ladungsträger, sowie das Volumenmaterial, welches die Struktur einbettet und für die Ladungsträgerinjektion genutzt wird. Entsprechend ist es wichtig, die Physik der Ladungsträger und ihrer Wechselwirkungen in verschiedenen räumlichen Dimensionen (dreidimensional bis nulldimensional) richtig zu verstehen und umzusetzen.Ein Konsortium aus führenden Wissenschaftlern, repräsentiert durch Johann Peter Reithmaier (Univ. Kassel), Grzegorz Sęk (Wroclaw University of Technology) und Gadi Eisenstein (Technion, Israel Institute of Technology) hat sich vor kurzem das Ziel gesetzt, neuartige TIS-QD-Laser herzustellen und systematisch zu charakterisieren, um dabei deren Vorteile gegenüber konventionellen und gegenwärtig in der optischen Datenübertragung eingesetzten Lasern zu demonstrieren. Der Antragsteller dieses Projekts wurde eingeladen, sich diesem Konsortium anzuschließen und im Rahmen der Projektarbeit neue Kooperationen mit den beteiligten Gruppen aufzubauen. In der ersten Förderperiode wurden neue und unerwartete Ergebnisse zur Physik von TIS-QD-Lasern gefunden. Die in der Literatur häufig genannte LO-Phonon-Resonanzbedingung zum Einstellen der elektronischen QD-Niveaus wird durch elektronische Zustandsmischung in der Nanostruktur und Vielteilcheneffekte (Polaronen) außer Kraft gesetzt. Stattdessen wurde ein spektraler Filtereffekt der Tunnelbarriere festgestellt. Nur wenn dieser spektrale Filter richtig auf die inhomogene Verteilung der QD-Emitter eingestellt ist, können TIS-QD-Laser die erwarteten verbesserten Modulationseigenschaften zeigen. Entsprechend dieser neuen Erkenntnisse werden in der beantragten zweiten Förderperiode neue Laserstrukturen von den Projektpartnern hergestellt und experimentell untersucht. Parallel dazu werden die theoretischen Modelle erweitert um direkte Theorie-Experiment-Vergleiche durchzuführen. Ziel ist ein mikroskopisches Verständnis der Physik von Tunnelprozessen in TIS-QD-Lasern und die Ableitung von Schlussfolgerungen für das richtige Design dieser Strukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel, Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gadi Eisenstein; Professor Dr. Grzegorz Sek