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Quantum Dot Microlasers subject to Delayed Optical Feedback = = Quantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzogerter optischer Ruckkopplung.

Record Type:	Electronic resources : Monograph/item
Title/Author:	Quantum Dot Microlasers subject to Delayed Optical Feedback =/
Reminder of title:	Quantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzogerter optischer Ruckkopplung.
remainder title:	Quantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzogerter optischer Ruckkopplung.
Author:	Holzinger, Steffen Karl.
Description:	1 online resource (168 pages)
Notes:	Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 82-01, Section: B.
Contained By:	Dissertations Abstracts International82-01B.
Subject:	Quantum physics. -
Online resource:	http://pqdd.sinica.edu.tw/twdaoapp/servlet/advanced?query=27772019click for full text (PQDT)
ISBN:	9781392378090

Quantum Dot Microlasers subject to Delayed Optical Feedback = = Quantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzogerter optischer Ruckkopplung.
Holzinger, Steffen Karl.

Quantum Dot Microlasers subject to Delayed Optical Feedback =Quantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzogerter optischer Ruckkopplung.Quantenpunkt-Mikrolaser unter zeitlich verzogerter optischer Ruckkopplung. - 1 online resource (168 pages)

Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 82-01, Section: B.

Thesis (Ph.D.)--Technische Universitaet Berlin (Germany), 2019.

Includes bibliographical references

Semiconductor lasers have been found to be extremely sensitive to back reflections of there own light emission. While corresponding laser reflections are mostly considered a disturbance for many applications, their underlying physics have been an important and attractive research topic in the field of nonlinear dynamics for many years. So far the complex dynamics of feedback-coupled semiconductor lasers have been investigated both theoretically and experimentally mainly in the classical regime at optical output powers on the order of 1mW and above. In comparison, nonlinear feedback effects in the region of low light intensities and especially the quantum regime of single photons constitute new scientific territory. In this regard, electrically pumped quantum dot micropillar lasers provide a versatile technology platform for the realization of delay-coupled experiments in the field of cavity quantum electrodynamics. Therefore, they allow for the first time to establish a bridge between the scientific fields of nanophotonics and nonlinear laser dynamics. Here, single emitter effects and additional noise contributions caused by a high rate of spontaneous emission into the lasing mode become of significant importance. In this thesis, we examine nonlinear dynamical effects in quantum dot microlasers with high spontaneous emission coupling efficiencies in the presence of external optical feedback. This includes the influence of optical feedback on both the optical spectrum as well as the photon statistics of the microlaser. It is of particular interest to investigate the bimodal character of the micropillar resonators, in which two linear, orthogonally polarized modes compete for a common gain medium resulting in characteristic switching dynamics above the lasing threshold. In the presence of an external cavity in the incoherent regime, i.e. with a delay time greater than the coherence time of the microlaser, we experimentally investigate the influence of different pump current conditions and varying feedback strength on these mode dynamics, which are successfully described via numerical modeling with a semi-classical rate equation model. The corresponding theoretically deduced predictions in turn can be used as general guidelines for the sensitivity of micropillar lasers to optical feedback. In addition to investigations of the laser dynamics with autocorrelation measurements, we record the photon-number distribution of the emission directly with a transition-edge sensor detector, which allows an analysis of the feedback effects on the stability of the modes. Afterwards, we examine delayed coherent feedback in the limit of a short external cavity. Here, one studies the influence of the external cavity length, which is similar to the microlaser's coherence length, on the spectral and dynamical properties of the micropillar laser. In particular, the transition from coherent to incoherent feedback is investigated including a detailed analysis of the phase sensitivity of the feedback-coupled light. Furthermore, we extract the relaxation oscillation frequency of micropillar lasers of different diameters by superimposing optical pulse injection to the direct current. This frequency is a crucial figure of merit in the theoretical description of the turn-on and feedback dynamics of lasers. Additionally, the optical pulse can be used to reset the feedback-coupled laser so that it reaches the same state as if no feedback was present. The system returns to the "stationary" feedback condition after one cavity round-trip of the emission pulse. Finally, we introduce a versatile experimental setup that allows for simultaneous lateral and axial excitation and detection. We hereby determine the linewidth enhancement factor alpha in dependence of the pump current for the first time in microlasers. This is another crucial parameter for describing the spectral and dynamical properties of semiconductor lasers. The presented method is based on a direct measurement of variations in the laser gain and emission spectrum when subject to delayed optical feedback. Therefore, this technique is not only promising for quantum dot micropillar lasers but also high-beta nanolasers in general. Our approach is evaluated by comparing it to established conventional methods of determining alpha as well as numerical simulations based on a quantum optical model. Additionally, this configuration is exploited for simultaneous lateral optical injection and axial feedback. Here feedback-coupling is shown to enhance the noise in the lasing mode leading to a wider range of partial injection locking. The latter is an interesting phenomenon that is understood by the high spontaneous emission rate which is enhanced in the cavity. The presented results provide a deeper understanding of feedback-induced phenomena in micropillar lasers in the novel region of ultra-low light powers on the order of nW to µW. By extracting several crucial system parameters, we obtain the requirements for tailoring the photon statistics and nonlinear dynamics of high-beta microlasers. Moreover, the investigations close to the quantum limit pave the way for future studies on the external control of nanophotonic quantum systems.

Electronic reproduction.
Ann Arbor, Mich. :
ProQuest,
2023

Mode of access: World Wide Web

ISBN: 9781392378090Subjects--Topical Terms:

726746
Quantum physics.
Subjects--Index Terms:

Semiconductor lasersIndex Terms--Genre/Form:

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Electronic books.

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500 $a Advisor: Reitzenstein, Stephan.
502 $a Thesis (Ph.D.)--Technische Universitaet Berlin (Germany), 2019.
504 $a Includes bibliographical references
520 $a Semiconductor lasers have been found to be extremely sensitive to back reflections of there own light emission. While corresponding laser reflections are mostly considered a disturbance for many applications, their underlying physics have been an important and attractive research topic in the field of nonlinear dynamics for many years. So far the complex dynamics of feedback-coupled semiconductor lasers have been investigated both theoretically and experimentally mainly in the classical regime at optical output powers on the order of 1mW and above. In comparison, nonlinear feedback effects in the region of low light intensities and especially the quantum regime of single photons constitute new scientific territory. In this regard, electrically pumped quantum dot micropillar lasers provide a versatile technology platform for the realization of delay-coupled experiments in the field of cavity quantum electrodynamics. Therefore, they allow for the first time to establish a bridge between the scientific fields of nanophotonics and nonlinear laser dynamics. Here, single emitter effects and additional noise contributions caused by a high rate of spontaneous emission into the lasing mode become of significant importance. In this thesis, we examine nonlinear dynamical effects in quantum dot microlasers with high spontaneous emission coupling efficiencies in the presence of external optical feedback. This includes the influence of optical feedback on both the optical spectrum as well as the photon statistics of the microlaser. It is of particular interest to investigate the bimodal character of the micropillar resonators, in which two linear, orthogonally polarized modes compete for a common gain medium resulting in characteristic switching dynamics above the lasing threshold. In the presence of an external cavity in the incoherent regime, i.e. with a delay time greater than the coherence time of the microlaser, we experimentally investigate the influence of different pump current conditions and varying feedback strength on these mode dynamics, which are successfully described via numerical modeling with a semi-classical rate equation model. The corresponding theoretically deduced predictions in turn can be used as general guidelines for the sensitivity of micropillar lasers to optical feedback. In addition to investigations of the laser dynamics with autocorrelation measurements, we record the photon-number distribution of the emission directly with a transition-edge sensor detector, which allows an analysis of the feedback effects on the stability of the modes. Afterwards, we examine delayed coherent feedback in the limit of a short external cavity. Here, one studies the influence of the external cavity length, which is similar to the microlaser's coherence length, on the spectral and dynamical properties of the micropillar laser. In particular, the transition from coherent to incoherent feedback is investigated including a detailed analysis of the phase sensitivity of the feedback-coupled light. Furthermore, we extract the relaxation oscillation frequency of micropillar lasers of different diameters by superimposing optical pulse injection to the direct current. This frequency is a crucial figure of merit in the theoretical description of the turn-on and feedback dynamics of lasers. Additionally, the optical pulse can be used to reset the feedback-coupled laser so that it reaches the same state as if no feedback was present. The system returns to the "stationary" feedback condition after one cavity round-trip of the emission pulse. Finally, we introduce a versatile experimental setup that allows for simultaneous lateral and axial excitation and detection. We hereby determine the linewidth enhancement factor alpha in dependence of the pump current for the first time in microlasers. This is another crucial parameter for describing the spectral and dynamical properties of semiconductor lasers. The presented method is based on a direct measurement of variations in the laser gain and emission spectrum when subject to delayed optical feedback. Therefore, this technique is not only promising for quantum dot micropillar lasers but also high-beta nanolasers in general. Our approach is evaluated by comparing it to established conventional methods of determining alpha as well as numerical simulations based on a quantum optical model. Additionally, this configuration is exploited for simultaneous lateral optical injection and axial feedback. Here feedback-coupling is shown to enhance the noise in the lasing mode leading to a wider range of partial injection locking. The latter is an interesting phenomenon that is understood by the high spontaneous emission rate which is enhanced in the cavity. The presented results provide a deeper understanding of feedback-induced phenomena in micropillar lasers in the novel region of ultra-low light powers on the order of nW to µW. By extracting several crucial system parameters, we obtain the requirements for tailoring the photon statistics and nonlinear dynamics of high-beta microlasers. Moreover, the investigations close to the quantum limit pave the way for future studies on the external control of nanophotonic quantum systems.
520 $a Halbleiterlaser reagieren sehr empfindlich auf die Ruckkopplung ihrer eigenen Lichtemission. Wahrend entsprechende Laserreflektionen in vielen Anwendungen als nachteilig angesehen werden, ist die zugrunde liegende Physik schon seit vielen Jahren ein wichtiges und attraktives Forschungsthema im Feld der nichtlinearen Dynamik. Bisher wurde die komplexe Dynamik solcher ruckgekoppelter Halbleiterlaser sowohl in der Theorie als auch in Experimenten hauptsachlich im klassischen Regime bei Lichtleistungen im Bereich von mW und daruber untersucht. Im Vergleich dazu stellen nichtlineare Ruckkopplungseffekte im Bereich geringer Lichtleistungen und vor allem das Quantenregime einzelner Photonen weitestgehend unerforschtes wissenschaftliches Neuland dar. Elektrisch betriebene Quantenpunkt-Mikrosaulenlaser bieten in diesem Zusammenhang eine vielseitige Technologieplattform, um Ruckkopplungsexperimente im Regime der Kavitats-Quantenelektrodynamik zu realisieren. Sie erlauben es damit erstmals, eine Brucke zwischen den Forschungsfeldern der Nanophotonik und der nichtlinearen Laserdynamik zu etablieren. Hier bekommen insbesondere die Effekte einzelner Emitter sowie zusatzliches Rauschen aufgrund einer hohen Rate der spontanen Emission in die Lasermode eine zentrale Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir nichtlineare dynamische Effekte in Quantenpunkt-Mikrolasern mit hohen Kopplungseffizienzen der spontanen Emission unter externer optische Ruckkopplung. Dies beinhaltet zunachst den Einfluss optischer Ruckkopplung sowohl auf das optische Spektrum als auch auf die Photonenstatistik der Mikrolaser. Von besonderem Interesse ist der bimodale Charakter der untersuchten Mikrosaulenresonatoren, in denen zwei linear, orthogonal zueinander polarisierte Moden um das gemeinsame Verstarkungsmedium konkurrieren, was zu einem stochastischen Umschalten zwischen den Moden oberhalb der Laserschwelle fuhren kann. In Gegenwart einer externen Kavitat im inkoharenten Regime, das heist mit einer Ruckkopplungszeit oberhalb der Koharenzzeit des Mikroasers, untersuchen wir experimentell den Einfluss des Pumpstroms und der Ruckkopplungsstarke auf diese Modendynamik, welche uber die numerische Modellierung durch ein semi-klassisches Ratengleichungsmodell erfolgreich beschrieben wird. Entsprechend theoretisch abgeleitete Vorhersagen konnen wiederum als Richtlinien fur die Empfindlichkeit von Mikrosaulenlasern gegenuber externer optischer Ruckkopplung genutzt werden. Zusatzlich zur Untersuchung der Laserdynamik mittels Autokorrelationsmessungen wird die Photonenzahl-Verteilung der Emission auch direkt mittels eines kalorimetrischen Detektors aufgenommen, was eine Untersuchung des Einflusses der Ruckkopplungseffekte auf die Modenstabilitat zulasst. Daruber hinausgehend wird die zeitverzogerte, koharente Ruckkopplung fur den Grenzfall einer kurzen externen Kavitat analysiert. Hierbei wird der Einfluss der Lange der externen Kavitat, die vergleichbar mit der Koharenzlange des Mikrolasers ist, auf spektrale und dynamische Eigenschaften des Mikrosaulenlasers untersucht. Dabei wird insbesondere der Ubergang von koharenter zu inkoharenter Ruckkopplung erforscht, was eine detaillierte Studie des Einflusses der Phase des ruckgekoppelten Lichts beinhaltet. Des Weiteren bestimmen wir die Relaxationsoszillations-Frequenz von Mikrosaulenlasern verschiedener Durchmesser, indem wir in den Mikrolaser im Gleichstrombetrieb einen externen optischen Puls injizieren. Diese Frequenz stellt eine wichtige Gutezahl in der theoretischen Beschreibung der Anschalt- und Ruckkopplungsdynamik von Lasern dar. Man kann den optischen Puls zusatzlich nutzen, um den ruckgekoppelte Laser auf den ruckkopplungsfreien Zustand zuruckzusetzen. Das System kehrt dann nach einem Umlauf des Emissionspulses in der externen Kavitat in den "stationaren" Ruckkopplungszustand zuruck. Schlieslich wird ein vielseitiger Messaufbau vorgestellt, der sowohl laterale als auch axiale Anregung und Detektion ermoglicht. Hiermit kann der Linienverbreiterungsfaktor alpha erstmals in Abhangigkeit des Pumpstroms fur Mikrolaser bestimmt werden. Dieser ist ein weiterer wesentlicher Parameter fur die Beschreibung spektraler und dynamischer Eigenschaften von Halbleiterlasern. Die vorgestellte Methode basiert dabei auf einer direkten Messung der Anderung der Verstarkung des Lasers sowie seines Emissionsspektrums unter optischer Ruckkopplung. Dieses Verfahren ist daher nicht nur verheisungsvoll fur Quantenpunkt-Mikrolaser, sondern auch fur Nanolaser im Allgemeinen. Der vorgestellte Ansatz wird durch einen Vergleich mit etablierten Methoden zur Bestimmung von alpha sowie einem quantenoptischen Modell evaluiert. Daruber hinaus wird die entwickelte Messkonfiguration verwendet, um eine gleichzeitige laterale optische Injektion und axiale Ruckkopplung zu ermoglichen. Es wird gezeigt, dass die Ruckkopplung zur Verstarkung des Rauschens in der Lasermode fuhrt, was wiederum zu einem vergroserten Bereich von teilweise synchronisierter Emission fuhrt. Letzteres ist ein interessantes Phanomen, das durch einen hohen Anteil spontaner Emission erklart werden kann, die in der Kavitat verstarkt wird. Die vorgestellten Resultate vermitteln ein tiefes Verstandnis fur Ruckkopplungsphanomene in Mikrosaulenlasern in der neuartigen Region ultrageringer Lichtleistungen im Bereich von nW bis µW. Durch die Bestimmung verschiedener wichtiger Parameter konnen die Voraussetzungen ermittelt werden, die fur eine gezielte Manipulation der Photonenstatistik und Dynamik von Mikrolasern mit hohem beta-Faktor erforderlich sind. Daruber hinaus sind diese Untersuchungen nahe dem Quantenlimit wegweisend fur zukunftige Studien zur externen Kontrolle von nanophotonischen Quantensystemen.
533 $a Electronic reproduction. $b Ann Arbor, Mich. : $c ProQuest, $d 2023
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