Karl-Scheel-Sitzung und Preis 2012

Optische Datenübertragung mit Lasern spielt in unserem digitalen Zeitalter eine immer größere Rolle. Dabei steht stets die Verbesserung der Übertragungsgeschwindigkeit als auch die Verkleinerung der optischen Komponenten im Vordergrund. Eine vielversprechende Möglichkeit beides zu erreichen bieten Quantenpunktlaser. Dies sind Halbleiterlaser bei denen im Gegensatz zu konventionellen Lasern das Licht nicht in einer kompletten epitaktischen Schicht, sondern nur in sehr kleinen in der Schicht enthaltenen pyramidalen Strukturen (Quantenpunkten) erzeugt wird. Die Elektronen in den Quantenpunkten sind in allen drei Raumdimensionen in ihrer Bewegung eingeschränkt und können damit nur lokalisierte Zustände besetzen.

Im folgenden Vortrag steht die Frage im Vordergrund, wie die durch Coulomb-Wechselwirkung hervorgerufenen Elektronen-Streuprozesse in einem Quantenpunktlaser die Lichtemission aus dem Laser beeinflussen. Mit Hilfe von systematischen mikroskopischen Rechnungen der Vielteilchenwechselwirkung im Quantenpunktlaser werden zustandsabhängige Elektronenlebensdauern in den Quantenpunkt-Energieniveaus bestimmt. Damit ist es möglich die Dynamik sowie die spezifischen Modulationseigenschaften des Lasers möglichst realistisch zu simulieren. Darüber hinaus ermöglicht der mikroskopische Zugang auch eine Untersuchung dieser Eigenschaften in Abhängigkeit der Bandstruktur, also in Abhängigkeit der Größe und Zusammensetzung der Quantenpunkte, was wiederum eine Optimierung der Lasereigenschaften zulässt.

Betrachtet man den Quantenpunktlaser zusammen mit extern injiziertem Licht oder mit zeitverzögert eintreffendem Licht von einem Spiegel, dann zeigt sich auch hier ein Zusammenhang zwischen den Lebensdauern der Elektronen und der Stabilität des Lasers gegenüber optischen Störeinflüssen. Dieser Effekt wird einerseits numerisch anhand von Bifurkationsdiagrammen diskutiert als auch mit asymptotischen Näherungsmethoden analytisch untermauert.