Multimodendynamik von Halbleiter-Quantenpunktlasern

• Antragsteller: Dr. Benjamin Lingnau
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404943123

In diesem Projekt wird die Multimodendynamik von Halbleiter-Quantenpunktlasern untersucht. Halbleiter-Quantenpunkte sind nanometergroße Halbleiterstrukturen, die epitaktisch gewachsen werden und an spezifische Anforderungen angepasst werden können. Durch die kleine Ausdehnung bilden sich diskrete elektronische Energieniveaus, die zu atomartigen optischen Übergängen führen. Im Gegensatz zu konventionellen Materialien für Halbleiterlaser bieten Quantenpunkte eine große Durchstimmbarkeit der Emissionswellenlänge, ein breites Verstärkungsspektrum und große dynamische Stabilität. Optoelektronische Bauteile auf Basis von Quantenpunkten eignen sich zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren, Einzelphotonenemission sowie sichere Quantenkommunikation. In der herkömmlichen optischen Telekommunikation können optische Quantenpunktverstärker bei der optischen Datenübertragung mit Bit-Wiederholraten von über 100Gb/s genutzt werden, dank der ultraschnellen Erholungszeit der optischen Verstärkung. Durch die Lokalisierung der Quantenpunkte sind diese anfällig gegenüber räumlichen Inhomogenitäten, wie sie in Laserkavitäten durch die stehenden Wellen des optischen Feldes entstehen. Das Zusammenspiel der Quantenpunkte mit solchen Inhomogenitäten führt zur Entstehung von Multimoden-Dynamik, das heißt die gleichzeitige Laseremission auf mehreren Wellenlängen. Dies kann zu neuen dynamischen Effeken führen, sowohl in einem freilaufenden Laser als auch unter dem Einfluss optischer Störungen, wie etwa optischer Rückkopplung oder Injektion eines externen optischen Signals. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Multimoden-Dynamik von Halbleiter-Quantenpunktlasern unter diesen Bedingungen sowohl theoretisch als auch experimentell zu untersuchen. Dazu wird ein effizientes numerisches Modell hergeleitet, das die Laserdynamik und die Wechselwirkung der unterschiedlichen Lasermoden, aber auch die komplexe Quantenpunktdynamik beschreibt. Dieses Modell wird auf die experimentellen Untersuchungen angewendet und mit den Messungen verglichen, die im Rahmen dieses Projekts experimentell durchgeführt werden. Die so gewonnenen Ergebnisse werden für die zukünftige Entwicklung von Optoelektronischen Bauteilen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten von großem Nutzen sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Irland
• Gastgeber: Dr. Bryan Kelleher