A. Capua, O. Karni, G. Eisenstein, V. Sichkovskyi, V. Ivanov & J.P. Reithmaier

nature communications DOI: 10.1038/ncomms6025 (2014)

Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) können ein ideales elektronisches Quantensystem sein, das optisch angesprochen werden kann. Aufgrund der starken Kopplung mit Gitterschwingungen (Phononen) ist jedoch nur ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen (z. B. 10 K) möglich. In dieser Arbeit wird der Raumtemperaturbetrieb der kohärenten Wechselwirkung eines treibenden Feldes (Photonen) mit Elektron-Loch-Paaren in einem Festkörper-Quantenpunktsystem gezeigt. Durch ultraschnelle Spektroskopie mit Hilfe einer Frequency Optical Gating (FROG) Technik (siehe Abbildung 1) kann die Phononenwechselwirkung innerhalb vieler Feldzyklen vollständig unterdrückt werden. Mit einer Pump-Probe-Technik kann ein Quantensystem präpariert und die Entwicklung durch einen verzögerten Sondenpuls mit einer Zeitauflösung von < 1 fs beobachtet werden.

A. Abdollahinia, S. Banyoudeh, A. Rippien, F. Schnabel, O. Eyal, I. Cestier, I. Kalifa, E. Mentovich, G.
Eisenstein, J.P. Reithmaier
Optics Express 26 (5), 6056 (2018)

Aufgrund der Diskretisierung der Energiezustände in Quantenpunkten schränkt die Zustandsdichtefunktion die energetische Ladungsträgerverteilung stark ein und ermöglicht eine effizientere Nutzung der injizierten Ladungsträger in einem Quantenpunkt (QD) Laser. Bei hinreichend geringer inhomogener Verbreiterung von weniger als der Energieaufspaltung zwischen angeregtem und Grundzustandsübergang und einer Energieaufspaltung größer als die thermische Energie, kann man die Temperaturempfindlichkeit der Laserleistung deutlich reduzieren. Neue Rekordwerte in der Temperaturstabilität konnten für 1,55-µm-Laser unter Verwendung von optimiertem QD-Verstärkungsmaterial mit sehr geringer inhomogener Verbreiterung (30 meV) und einem Niveau-Splitting von mehr als 65 meV erzielt werden. In Abbildung 2 ist die Lichtausgangscharakteristik eines Ridge-Waveguide (RWG) QD-Lasers im Dauerstrich- (cw) und Pulsbetrieb für verschiedene Kühlkörpertemperaturen dargestellt. Charakteristische Werte für die Temperatursensitivität der Schwellenstromdichte (T0) und die für die Steilheit (T1) wurden mit etwa T0 = 140 K bzw. T1 > 900 K ermittelt. 

Kürzere Laser (340 µm) mit hochreflektierenden Beschichtungen auf der Rückseitenfacette ermöglichen eine Hochgeschwindigkeits-Direktmodulation mit Datenraten von mehr als 30 GBit/s bei 20 °C und 26 GBit/s bei 80 °C (siehe Abbildung 2 rechts). Diese Ergebnisse sind ein Durchbruch in der Anwendung von kostengünstigen, kühlerlosen Hochleistungslasern für optische Verbindungen.

T. Septon, A. Becker, S. Gosh, G. Shtendel, V. Sichkovskyi, F. Schnabel, A. Sengül, M. Bjelica, B. Witzigmann, J.P. Reithmaier, G. Eisenstein
Optica 6 (8), 1071 (2019)

Mit der neuesten Generation von hochwertigem Quantenpunkt (QD)-Verstärkungsmaterial kann man grundlegende atomähnliche Eigenschaften in fester Materie und daraus hergestellten Geräten nutzen. In einer Zusammenarbeit zwischen zwei CINSaT-Mitgliedern (B. Witzigmann, J.P. Reithmaier) und der Gruppe von Gadi Eisenstein (Technion, Israel) konnten wir den starken Einfluss eines atomähnlichen Verstärkungsmaterials in Rekordwerten eines Distributed Feedback (DFB) QD-Lasers auf Basis eines 1,55 µm InP-basierten Materials demonstrieren. Das Hauptmerkmal des QD-Materials im Vergleich zu Quantentöpfen ist die starke Reduktion des Linienbreitenerhöhungsfaktors von typischerweise 3-5 bis hin zu Null im Idealfall. Dies ermöglicht eine starke Reduzierung der Emissionslinienbreite von Lasern um mehr als eine Größenordnung. In dieser Arbeit konnte eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Theorie und Experimenten erzielt werden, wie in Abbildung 3 (links) gezeigt. Es werden Rekord-Linienbreiten von (30 +/- 10) kHz erzielt (siehe Abbildung 3, rechts) bei hohen Ausgangsleistungen von fast 60 mW. Diese Ergebnisse können einen großen Einfluss auf die nächste Generation von optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen haben, die auf kohärenten Übertragungsformaten basieren.