Spatio-temporal structures and their control in vertical-cavity surface-emitting lasers.
Final Report Abstract
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser (vertical-cavity surface-emitting lasers. VCSEL) sind spezielle Halbleiterlaser mit einem breiten Anwendungsspektrum. Gleichzeitig sind sie ein nichtlineares System, in dem räumliche, zeitliche und Polarisatiorisfreiheitsgrade zu komplexen Phänomenen der Selbstorganisation führen und seine Eigenschaften nachhaltig beeinflussen. Ziel des Projektes war eine Analyse und Kontrolle dieser raumzeitlichen Strukturen in der Begriffswelt des Gebietes Nichtlineare Dynamik und Strukturbildung und mit Hilfe der dort entwickelten Methoden. Dabei wurde eng sowohl mit Gruppen aus dem Bereich der VCSEL-Herstellung als auch mit theoretischen Gruppen international zusammengearbeitet. Wesentliches Ergebnis ist die Analyse der komplexen Kopplung von Polarisationsfreiheitsgraden und räumlichen Strukturen. Dabei stellte sich heraus, dass die korrekte Berücksichtigung von Randbedingungen essentiell ist und Methoden aus dem Bereich der Strukturbildung und von Billiardproblemen kombiniert werden müssen. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse auch dem Bereich des Wellen- oder Quantenchaos neue Impulse geben. Als Hauptresultat ergibt sich ein weitgehendes Verständnis der Selbstorganisation an der Schwelle. Ferner wurde eine erste Charakteriserung der Entwicklung von raumzeitlicher Komplexität oberhalb der Schwelle gegeben. Einige der beobachteten Strukturen lassen sich nur durch die Annahme von räumlichen Inhomogenitäten erklären. Es wird erwartet, dass die dahinter stehende Frage des Wechselspiels von Nichtlinearitäten und räumlicher Unordnung in der nächsten Zeit an Bedeutung gewinnt, und zwar gerade bei praktisch bedeutsamen Systemen wie VCSELn. Ferner wurde die Kontrolle von Längenskalen und Symmetrie der Strukturen durch optische Rückkopplung demonstriert und die Voraussetzungen für die Realisierung bistabiler solitonenartiger Mikrolaser geschaffen.
Publications
- Correlation properties and drift phenomena in the dynamics of vertical-cavity surfaceemitting lasers with optical feedback. Opt. Exp. 13, 2707-2715 (2005).
M. Sondermann, and T. Ackemann.
- Parametric Data Analysis of Bistable Stochastic Systems. Nonlinear Phenomena in Complex Systems 8, 193-199 (2005).
T. Prank, M. Sonderrnann, T. Ackemann, and R. Friedrich.
- Polarization dynamics in vertical-cavity surface emitting lasers. In; O. G. Calderon, J. M. Guerra (editors): Trends in Spatiotemporal Dynamics in Lasers. Instabilities, Polarization Dynamics, and Spatial Structures, p. 82-110. Research Signpost, Keralia (2005).
T. Ackemann, and M. Sondermann.
- Transverse patterns and length scale selection in vertical-cavity surface-emitting lasers with a large square aperture. Appl. Phys. B 81, 945- 953 (2005).
M. Schulz-Ruthenberg, I. V. Babushkin, N. A. Loiko, T. Ackemann, and K. F. Huang.
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A. Naumenko, N. A. Loiko, M. Sondermann, K. F. Jentsch, and T. Ackemann.
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P. Debernardi, J. M. Ostermann, M. Sondermann, T. Ackemann, G. P. Bava, and R. Michalzik.
- Analysis and optimization of coupling to external cavities in feedback experiments with vertical-cavity surface-emitting lasers. Opt. Commun., online first.
K. F. Jentsch, M. Sondermann, and T. Ackemann.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.11.066) - Bistability conditions between lasing and non-lasing states for vertical-cavity surfaceemitting lasers with frequency-selective optical feedback. In: Y. Kivshar, N. Rosanov (editors): Nonlinear Space-Time Dynamics. Proc. SPIE 6725, 672522 (2007).
A. Naumenko, N. Loiko, K. Jentsch, and T. Ackemann.
