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Hybrid coherent light - Modeling light-emitting quantum dot superluminescent diodes

Friedrich, Franziska (2019):
Hybrid coherent light - Modeling light-emitting quantum dot superluminescent diodes.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8527],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Commercial devices for optical coherence tomography greatly benefit from the exceptional features of broadband light-emitting quantum dot superluminescent diodes (QDSLDs). Here, light generation occurs at the transition from spontaneous to stimulated emission, the regime of the amplified spontaneous emission. In this context, initially spontaneously emitted photons are amplified by stimulated emission processes when traversing through the QDSLD, which leads to strong light amplification. The suitable choice of the waveguide geometry and the gain medium formed by quantum dots, enables large spectral widths of some terahertz combined with a rather higher degree of spatial coherence. Modern measurement methods based on two-photon absorption processes provide a temporal resolution of some femtoseconds and thus allow correlation studies of the emitted QDSLD light.

Also from a theoretical point of view, the characterization of the amplified spontaneous emission generated by QDSLDs and their associated photon statistics represents an interesting and challenging research topic. Especially in a particular temperature regime these devices exhibit uncommon properties with regard to the temporal field and intensity correlations: While the field correlation reflects the rather highly incoherent nature of light emitted by QDSLDs due to its spectral width of several THz, a reduction of the second order correlation from 2 to 1.33 at a temperature of T=190K was observed in the Semiconductor Optics group of Prof. W. Elsäßer at the Technical University of Darmstadt in 2011. The understanding of the occurrence of these hybrid coherent light states, which are simultaneously incoherent in first and coherent in second order correlation function is the subject of this thesis.

In a first step we find the quantum mechanical light state associated with the QDSLD to be well described by a multimode phase-randomized Gaussian state by comparison with experimental results. In the second step we present a microscopic theory of the amplified spontaneous emission, which allows an explanation of the temperature-dependent noise suppression of broadband QDSLDs. For this purpose we consider distinguishable quantum dots, which are embedded in a strongly absorptive bulk material that defines a waveguide. Tilted and anti-reflection coated output facets, leading to a suppression of longitudinal modes, are modeled by beam splitters that couple the internal field to the surroundings. Regarding the spectral properties of QDSLDs, the broadband light generated inside the diode is described by a multimode electric field. This multimode quantum field theory yields rate equations for the optical power densities and the level occupation of the inhomogeneous ensemble of quantum dots within the diode. With the help of the input-output formalism, we determine the optical power spectrum. As a main result, we find the broadband external power spectrum to be a convolution of the intra-diode photon spectrum with a Lorentzian response. This finding corresponds with experimentally available spectra. Furthermore, based on the quantum theory of QDSLDs we determine the central second-order degree of coherence. It reveals a reduction within a special detuning regime and therefore allows the interpretation of the hybrid coherent light phenomenon from a quantum optical point of view.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Friedrich, Franziska
Title: Hybrid coherent light - Modeling light-emitting quantum dot superluminescent diodes
Language: English
Abstract:

Commercial devices for optical coherence tomography greatly benefit from the exceptional features of broadband light-emitting quantum dot superluminescent diodes (QDSLDs). Here, light generation occurs at the transition from spontaneous to stimulated emission, the regime of the amplified spontaneous emission. In this context, initially spontaneously emitted photons are amplified by stimulated emission processes when traversing through the QDSLD, which leads to strong light amplification. The suitable choice of the waveguide geometry and the gain medium formed by quantum dots, enables large spectral widths of some terahertz combined with a rather higher degree of spatial coherence. Modern measurement methods based on two-photon absorption processes provide a temporal resolution of some femtoseconds and thus allow correlation studies of the emitted QDSLD light.

Also from a theoretical point of view, the characterization of the amplified spontaneous emission generated by QDSLDs and their associated photon statistics represents an interesting and challenging research topic. Especially in a particular temperature regime these devices exhibit uncommon properties with regard to the temporal field and intensity correlations: While the field correlation reflects the rather highly incoherent nature of light emitted by QDSLDs due to its spectral width of several THz, a reduction of the second order correlation from 2 to 1.33 at a temperature of T=190K was observed in the Semiconductor Optics group of Prof. W. Elsäßer at the Technical University of Darmstadt in 2011. The understanding of the occurrence of these hybrid coherent light states, which are simultaneously incoherent in first and coherent in second order correlation function is the subject of this thesis.

In a first step we find the quantum mechanical light state associated with the QDSLD to be well described by a multimode phase-randomized Gaussian state by comparison with experimental results. In the second step we present a microscopic theory of the amplified spontaneous emission, which allows an explanation of the temperature-dependent noise suppression of broadband QDSLDs. For this purpose we consider distinguishable quantum dots, which are embedded in a strongly absorptive bulk material that defines a waveguide. Tilted and anti-reflection coated output facets, leading to a suppression of longitudinal modes, are modeled by beam splitters that couple the internal field to the surroundings. Regarding the spectral properties of QDSLDs, the broadband light generated inside the diode is described by a multimode electric field. This multimode quantum field theory yields rate equations for the optical power densities and the level occupation of the inhomogeneous ensemble of quantum dots within the diode. With the help of the input-output formalism, we determine the optical power spectrum. As a main result, we find the broadband external power spectrum to be a convolution of the intra-diode photon spectrum with a Lorentzian response. This finding corresponds with experimentally available spectra. Furthermore, based on the quantum theory of QDSLDs we determine the central second-order degree of coherence. It reveals a reduction within a special detuning regime and therefore allows the interpretation of the hybrid coherent light phenomenon from a quantum optical point of view.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Theorie kalter Quantengase, Quantenoptik, Technische Optik
Date Deposited: 10 Mar 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8527
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85278
Referees: Walser, Prof. Dr. Reinhold and Elsäßer, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 19 February 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Kommerzielle Messapparaturen für die optische Kohärenztomographie profitieren von den einzigartigen Eigenschaften von breitbandigen Quantenpunkt-Superlumineszenzdioden (engl. quantum dot superluminescent diodes (QDSLDs)). Die Lichterzeugung tritt hier am Übergang von spontaner zu stimulierter Emission auf, welches dem Bereich der verstärkt-spontanen Emission entspricht. Die zu Beginn spontan emittierten Photonen werden bei ihrer Propagation im Wellenleiter durch stimulierte Emissionsprozesse verstärkt. Mittels geeigneter Wahl von Wellenleitergeometrie und Gewinnmedium, hier Quantenpunkte, werden große spektrale Breiten von einigen Terahertz mit gleichzeitig hoher, räumlicher Kohärenz realisiert. Der Einsatz von sogenannten Zwei-Photonen Absorptionsdetektoren zur Messung von zeitlichen Korrelationen ermöglicht Auflösungen von einigen Femtosekunden und erlaubt somit auch Korrelationsstudien von terahertz-breiten QDSLDs. Aber auch aus theoretischer Sicht stellt die Charakterisierung der verstärkt spontanen Emission von QDSLDs und deren photon-statistischen Eigenschaften ein interessantes und herausforderndes Forschungsprojekt dar. Gerade im Hinblick auf einen ganz bestimmten Temperaturbereich zeigen diese Bauelemente ein ungewöhnliches Verhalten bzgl. der zeitlichen Feld- und Intensitätskorrelation. Während die Feldkorrelation hochgradig inkohärent mit einer spektralen Breite von einigen THz ist, lässt sich eine Reduktion der Intensitätskorrelation von 2 nach 1.33 bei einer Temperatur von T=190K im Labor beobachten. Dieses Experiment wurde in der AG Halbleiteroptik von Prof. W. Elsäßer an der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Das Auffinden einer physikalischen Erklärung für die Beobachtung dieses hybrid-kohärenten Lichtes, welches gleichzeitig inkohärent in der Korrelation erster und kohärent in der Korrelation zweiter Ordnung ist, stellt das Ziel dieser Dissertation dar. Im ersten Schritt postulieren wir zunächst einen Quantenzustand des emittierten Lichts einer QDSLD und vergleichen die theoretischen mit den experimentellen Ergebnissen. Es zeigt sich, dass der multimodige, phasenverschmierte, gaußsche Zustand die experimentellen Daten sehr gut wiederspiegelt. Im zweiten Schritt stellen wir eine mikroskopische Theorie der verstärkt-spontanen Emission vor um eine Erklärung für die temperaturabhängige Rauschunterdrückung von breitbandigen QDSLDs zu finden. Diese berücksichtigt unterscheidbare Quantenpunkte, die sich in einem stark absorbierenden Bulk-Material, dem Wellenleiter, befinden. Geneigte und antireflexbeschichtete Austrittsfacetten sorgen für eine Unterdrückung longitudinaler Moden. Sie werden durch Strahlteiler modelliert, welche das interne Feld an die äußere Umgebung koppeln. Aufgrund der spektralen Eigenschaften von QDSLDs wird das breitbandige Licht innerhalb des Wellenleiters durch ein multimodales, elektrisches Feld beschrieben. Diese multimodale Quantentheorie liefert Ratengleichungen für die optischen Leistungsdichten sowie Niveaubesetzungen des inhomogenen Ensembles der Quantenpunkte. Mit Hilfe des Input-Output Formalismus bestimmen wir das optische Spektrum, welches durch eine Faltung des internen Photonenspektrums mit einer Lorentz'schen Antwort gegeben ist. Ein Vergleich dieses wichtigen Ergebnisses mit den experimentellen Daten zeigt gute Übereinstimmung. Des Weiteren untersuchen wir den zentralen Kohärenzgrad zweiter Ordnung mit Hilfe unserer Quantentheorie. Dabei wird eine Reduktion innerhalb eines bestimmten Bereiches der Verstimmung beobachtet. Die gewonnenen Ergebnisse lassen die Interpretation des Phänomens von hybrid-kohärenten Licht aus einer rein quantenoptischen Perspektive zu.German
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