Kurzpulslasersystem

• Fachliche Zuordnung: Elektrotechnik und Informationstechnik ; Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 147642423

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die wichtigsten mit dem Kurzpulslasersystem durchgeführten Forschungsprojekte und wissenschaftlichen Arbeiten beinhalten die Verstärkungs- und Emissionsdynamik von verdünnten Nitriden und die Spin-Optoelektronik an Halbleitern. Im Bereich der Verstärkungs- und Emissionsdynamik verdünnter Nitride wurden Heterostrukturen des neuen Halbleitermaterials GaNAsP auf GaP und auf Si Substrat analysiert. Der metastabile Halbleiter GaNAsP ist hoch interessant, da er eine direkte Bandlücke aufweist und aufgrund seiner gleichen Gitterkonstante gitterangepasst auf Silizium gewachsen werden kann. Im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes MONOLASI wurden GaNAsP/GaP und GaNAsP/Si Heterostrukturen im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Konkret haben wir für verschiedene Probenparameter die optische Verstärkung vermessen und temperatur- und zeitaufgelöste Lumineszenzexperimente durchgeführt. Letztere liefern typisch multiexponentielle zeitliche Abfälle, die trotz ebenso gemessener hoher optischer Verstärkung auf Lokalisierungseffekte und nichtstrahlende Rekombinationskanäle hindeuten. Durch Vergleich der Photolumineszenztransienten mit Monte-Carlo Simulationen war es möglich, das Zusammenspiel zwischen nichtstrahlender und strahlender Rekombination aus lokalisierten Zuständen genau zu analysieren. Im Gegensatz zu anderen verdünnten Nitriden konnte in diesem Materialsystem basierend auf den Ergebnissen erstmals eine Verbesserung der optischen Materialeigenschaften und eine Reduktion der Lokalisierung mit steigendem Stickstoffgehalt nachgewiesen werden. Im Bereich der Spin-Optoelektronik an Halbleitern wurden Spin-kontrollierte Vertical-Cavity Surface- Emitting Lasers, VCSELs untersucht. Hierbei wurden kommerzielle elektrisch gepumpte VCSELs mit Polarisationsschaltverhalten hybrid angeregt. Das bedeutet, dass neben der unpolarisierten elektrischen Anregung durch den Injektionsstrom auch noch eine spinpolarisierte optische Anregung mit zirkular polarisierten kurzen Laserpulsen erfolgte. Hierdurch wird im aktiven Bereich der Laserdiode ein leichter Überschuss an Elektronen mit einer bestimmten Spinausrichtung generiert. Wir konnten zeigen, dass sich hierdurch im Bereich der Laserschwelle die Polarisation der VCSEL-Emission steuern lässt. Zudem werden durch diese Anregung Oszillationen im zirkularen Polarisationsgrad der VCSEL-Emission angeregt. Diese sind im Bereich der Laserschwelle stark gedämpft. Bei höheren Injektionsströmen im Bereich des Polarisationsschaltpunktes werden die Oszillationen entdämpft und bestehen über mehrere ns und damit länger als die Spinlebensdauer im VCSEL. Eine theoretische Analyse der Oszillationen mittels des Spin-Flip- Ratengleichungsmodells zeigt, dass die Oszillationen durch eine Wechselwirkung der Doppelbrechung im VCSEL Resonator mit der Spindynamik der Ladungsträger im aktiven Bereich zustande kommt. Die Oszillationsfrequenz ist durch die Doppelbrechung bestimmt und völlig unabhängig von der Relaxationsfrequenz des Lasers, die normalerweise die maximale Modulationsfrequenz in direkt modulierten Halbleiterlasern bestimmt. In unserem Beispiel war die Oszillationsfrequenz der Polarisation mit etwa 11 GHz deutlich höher als die Relaxationsfrequenz der Intensität von etwa 2 GHz. Die Oszillationsfrequenz ist damit deutlich höher als die konventionelle Modulationsbandbreite von 4 GHz in dem VCSEL. Somit könnte dieses Konzept nach weiterer Optimierung eine Möglichkeit aufzeigen, Halbleiterlaser mit potentiell deutlich höheren Modulationsfrequenzen bis über 100 GHz zu realisieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Birefringence controlled roomtemperature picosecond spin dynamics close to the threshold of vertical-cavity surface-emitting laser devices. Appl. Phys. Lett. 97, 191114 (2010)
  Mingyuan Li, Hendrik Jähme, Henning Höpfner, Nils C. Gerhardt, Martin R. Hofmann , T. Ackemann
  
• Ultrafast circular polarization oscillations in spin-polarized vertical-cavity surface-emitting laser devices. Proc. SPIE 7597, 75970Q (2010)
  Nils C. Gerhardt, Mingyuan Li, Hendrik Jähme, Henning Höpfner, Martin R. Hofmann , T. Ackemann
  
• Spin induced gigahertz polarization oscillations in vertical surface-emitting laser devices. Proc. SPIE, 7952, 79520B (2011)
  M.Y. Li, H. Jaehme, H. Soldat, N.C. Gerhardt, M.R. Hofmann and T. Ackemann
  
• Ultrafast spin-induced polarization oscillations with tunable lifetime in vertical-cavity surface-emitting lasers. Appl. Phys. Lett. 99, 151107 (2011)
  Nils C. Gerhardt, Mingyuan Li, Hendrik Jähme, Henning Höpfner, T. Ackemann, Martin R. Hofmann
  
• Photoluminescence and optical gain of Ga(NAsP) heterostructures pseudomorphically grown on silicon (001) substrate. Proc. SPIE, 8266, 82660R (2012)
  Nektarios Koukourakis, Max Klimasch, Dominic A. Funke, Nils C. Gerhardt, Martin R. Hofmann , Sven Liebich, Martin Zimprich, Bernardette Kunert, Kerstin Volz, Wolfgang Stolz
  
• Spin-Controlled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Advances of Optical Technologies, 2012, 268949 (2012)
  Nils C. Gerhardt, Martin R. Hofmann
  
• Non-exponential photoluminescence transients in Ga(NAsP) lattice matched to (001) silicon substrate. Phys. Rev. B 87, 035303 (2013)
  K. Jandieri, B. Kunert, S. Liebich, M. Zimprich, K. Volz, W. Stolz, F. Gebhard, S.D. Baranovskii, Nektarios Koukourakis, Nils C. Gerhardt, Martin R. Hofmann