Nichtlineare Optik und Quantenoptik (Prof. Dr. W. Lange, HDoz. Dr. T. Ackemann)
Polarisationsdynamik oberflächenemittierender Halbleiterlaser
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser (vertical-cavity surface-emitting laser = VCSEL) sind
relativ neuartige Laserdioden mit einer kurzen Resonatorlänge ( 1 µm in longitudinaler Richtung)
und einer symmetrischen aktiven Zone (in transversaler Richtung). Dadurch lassen sich einfach longitudinaler
Einmodenbetrieb sowie eine näherungsweise rotationssymmetrische Strahlform erreichen. Aufgrund
dieser gegenüber konventionellen Kantenemittern vorteilhaften Eigenschaften sind VCSEL derzeit
Standardbauelemente für Gigabit-Ethernet Kommunikationssysteme und weitere Anwendungen in der
Sensorik, Spektroskopie, Laserpumpen und Materialbearbeitung werden intensiv untersucht. Allerdings
führt die hohe Symmetrie der aktiven Zone dazu, dass im Gegensatz zu Kantenemittern die
Polarisationsrichtung nicht oder nur schwach festgelegt ist und eine Fülle von
Polarisationsinstabilitäten auftritt. Bei der Erklärung dieser Effekte wird meistens von geringen
Restanisotropien (Dichroism und Doppelbrechung) und ihren Auswirkungen auf die lineare
(d.h. ungesättigte) Verstärkungs-Verluste Balance ausgegangen, die sich temperatur- und
daher auch stromabhängig ändern. Konkurrierende Modelle berücksichtigen jedoch auch die
Spin-Freiheitsgrade in Halbleiter-Quantenfilmen und Amplituden-Phasenkopplung. Die in der
Arbeitsgruppe
durchgeführten Experimente dienen der experimentellen Charakterisierung von Polarisationsdynamik in
freilaufenden VCSELn und in VCSELn mit optischer Rückkopplung. Die theoretische Analyse der
Experimente gibt starke Hinweise auf die Relevanz der Spinfreiheitsgrade für die beobachtete
Polarisationsdynamik. Neuere Arbeiten betreffen die Quantifizierung der Polarisationsanisotropien in VCSELn
mit integrierten Oberflächengittern, mit denen in letzter Zeit ein sehr effizienter Weg zur Kontrolle und
Stabilisierung des Polarisationszustandes gefunden wurde. Rückkopplungsinduzierte
Instabilitäten, insbesondere die sogenannten "low-frequency fluctuations" (LFF) und ihre
Abhängigkeit vom Polarisationszustand, sind auch vom Standpunkt des Arbeitsgebietes Nichtlineare
Dynamik sehr interessant. Es wurde nachgewiesen, dass das Auftreten von LFF unabhängig von der
Polarisationsdynamik ist, deren Ausprägung aber wesentlich durch Polarisationseffekte beeinflusst wird.
Die Analyse der Radiofrequenzspektren und Korrelationseigenschaften der Dynamik von VCSELn mit
Rückkopplung zeigt bemerkenswerte Analogien zu dem Carrier-Envelope Slippage in modengekoppelten
Ultrakurzzeitlasern, der z.Zt. intensiv im Gebiet der "extreme nonlinear optics" erforscht und ausgenutzt wird.
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