Dynamické a kvantové aspekty spinových laserů

Optical and electronic spin injection into Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL) changes significantly their lasing properties. Spin-dependent photon emission in semiconductor QW active media, together with local optical anisotropies in laser cavity, promise the rise of future low-energy ultrafast optical communication. This master thesis is motivated by a need for advanced modeling tools to design future spin-lasers with desired dynamical properties. Semi-classical model of spin-lasers with local anisotropies is formulated and demonstrated on realistic design with multiple InGaAs/GaAsP QWs. Furthermore, a simple quantum-optical model of spin-laser is derived.Optická a elektronická injekce spinu do polovodičových laserů s vertikální geometrií (VCSEL) významně ovlivňuje jejich vlastnosti. Spinově-závislá emise fotonů v polovodičových kvantových jámách, spolu s lokálními optickými anizotropiemi v rezonátorech těchto zařízení, slibuje vznik ultra-rychlé nízko-energetické optické komunikace. Vytvoření potřebného formalismu, pomocí kterého by bylo možné navrhovat budoucí spinové lasery s žádoucími dynamickými vlastnostmi, je hlavní motivací této diplomové práce. Je formulován semiklasický model pro popis spinových laserů s lokálními anizotropiemi a následně aplikován na realistické struktuře s InGaAs/GaAsP kvantovými jámami. Navíc je odvozen jednoduchý kvantově-mechanický model spinového laseru.9360 - Centrum nanotechnologiívýborn

Dynamické vlastnosti spinově polarizovaných laserů

This bachelor thesis deals with dynamical properties of spin-polarized lasers. Because of promising high light polarization control performance, their light polarization dynamics is extensively studied. It can be done using 4-level simplified Maxwell-Bloch equations. Real spin-polarized semiconductor lasers posses complicated V(E)CSEL(Vertical-(External) Cavity Surface-Emitting Laser) geometries which additionally contain local optical anisotropies. Thus, precise modeling of dynamics is difficult and it is beyond the scope of this work to include anisotropies. Spin-laser’s resonant cavities consist of Bragg reflectors, which are modeled theoretically in this thesis. Furthermore, the ellipsometric measurement of GaAs/AlAs Bragg reflector is presented. In order to solve simplified Maxwell-Bloch equations and analyze spin-laser’s dynamics, one has to evaluate losses of resonant cavity, because it is an important factor defining dynamics. It was done using the connection of losses to resonator’s spectral response profile which is based on Fourier analysis. Results are then discussed.Tato bakalářská práce se zabývá dynamickými vlastnostmi spinově-polarizovaných laserů. Z důvodu slibné možnosti kontroly polarizace emitovaného světla je kladen důraz na studium dynamiky polarizace emitovaného světla. Jednou z možností je řešení zjednodušených Maxwell-Blochových rovnic pro čtyř-úrovňový systém. Reálné spinově-polarizované polovodičové lasery mají komplikované V(E)CSEL(Vertical-(External) Cavity Surface-Emitting Laser) geometrie obsahující navíc optické anizotropie, což velmi komplikuje přesné modelování dynamiky. Zahrnutí anizotropií je nad rámec této práce. Rezonanční kavity spinových laserů se skládají z Braggových zrcadel, které jsou zde teoreticky modelovány. Navíc bylo provedeno elipsometrické měření Braggova zrcadla složeného z GaAs/AlAs. Abychom mohli řešit zjednodušené Maxwell-Blochovy rovnice a analyzovat tak dynamiku spinových laserů, je třeba určit ztráty rezonátoru, protože ty významně ovlivňují dynamiku. Ty bylo možné určit díky tomu, že ztráty lze určit ze spektrální odezvy rezonátoru, což vyplývá z Fourierovy analýzy. Výsledky jsou poté diskutovány.717 - Katedra fyzikyvýborn

Time-dependent laser cavity perturbation theory: Exploring future nano-structured photonic devices in semi-analytic way

We present a theoretical framework, which successfully combines two different fields of photonics: i) the laser rate equations and ii) the cavity perturbation theory, focusing particularly on micro-cavity lasers with optical anisotropies. Our approach is formally analogous to quantum-mechanical time-dependent perturbation theory, in which however the gain medium and permittivity tensor distribution are perturbed instead of the Hamiltonian. Using the general vectorial Maxwell-Bloch equations as a starting point, we derive polarization-resolved coupled-mode equations, in which all relevant geometric and anisotropy-related laser parameters are imprinted in its coefficients. Closed-form coupled-mode equations offer physical insights like rate equations approaches and the precision comparable to brute-force numeric routines, thus being the time-saving alternative to finite-difference time-domain methods. The main advantage is that one calculates numerically the shapes of cold-cavity modes used to derive coupled-mode equations for one set of parameters and the broad landscape of parameters of interest is further studied in a perturbative way. This makes the method particularly interesting for semi-analytic studies of state-of-art devices such as the photonic crystal lasers, the liquid-crystal lasers or specifically spin-lasers, in which the interplay between injected spin and cavity birefrigence creates very promising platform for ultrafast data transfer technologies.Web of Science40144745473

Poruchový přístup k semiklasické teorii laserů se zaměřením na spinové lasery

Spin-lasers have attracted considerable attention due to the promising increase of modulation bandwidth by an order of magnitude via the polarization modulation. It has been understood using the so-called spin-flip model (SFM) that ultrafast polarization dynamics is the consequence of interplay between spin-dependent gain and cavity anisotropy, showing thus an importance of semi-analytic models in laser physics. However, the SFM lacks the predictive power in the sense of the first-principle design and does not describe correctly the linear gain anisotropy, which plays an important role in the polarization selection. Furthermore, the challenging semi-analytic modeling of complex gain media and nontrivial anisotropy is relevant also for other surface-emitting lasers, especially when their intriguing non-Hermitian and topological aspects are still being revealed nowadays. To make the design process and the analysis of novel surface-emitting devices, including spin-lasers, more practical, we perform the spectral decomposition of the effective Maxwell-Bloch equations in the basis of threshold lasing modes (TLMs) which allows us to view both stationary and non-stationary lasing as a perturbation problem. Concerning the stationary cases, we apply the first-order cavity perturbation theory (CPT) to derive the lasing condition, which allows to recover the differential generalization of the single-pole approximation steady-state ab initio lasing theory (SPA-SALT). Compared to SPA-SALT, it is not limited by the two-level atom approximation, permits a pump-induced frequency shift, and does not require the pre-determination of interacting lasing thresholds. As for non-stationary lasing, the perturbation approach allows to formulate a general theory of anisotropy rates. We directly apply the developed techniques to spin-lasers and derive the extended SFM including the linear gain anisotropy and a complete theory of anisotropy rates, making SFM directly applicable, for example, to grating-based spin-lasers. Most importantly, the extended SFM is used to predict the anisotropy-induced pair of exceptional points (EPs) connected by the Fermi-arc. It is shown that the Fermi-arc provides a new mechanism of polarization switching, thus paving an alternative way towards a long-desired dynamical polarization control in the sub-THz domain.Spinové lasery s vertikální geometrií získaly značnou pozornost díky potenciálnímu zvýšení modulační frekvence až o řád s využitím polarizační modulace. Ultrarychlá dynamika polarizace je důsledkem interakce spinově-závislého zisku a anizotropie v rezonátoru, jak bylo v minulosti ukázáno v rámci spin-flip modelu (SFM). Přestože je SFM úspěšným příkladem analytického modelování ve fyzice laserů, stále má nedostatky. Zaprvé, SFM nelze použít k návrhu a optimalizaci spinových laserů ve smyslu optických prvních principů. Zadruhé, SFM nepopisuje korektně lineární anizotropii v zisku, která je klíčová pro selekci polarizace emitovaného světla. Náročné semianalytické modelování je relevantní obecně pro jakékoliv lasery s komplexním ziskovým prostředím a netriviální anizotropií. Dnes mohou být semianalytické modely užitečné obzvláště pro návrh moderních polovodičových laserů a například pochopení jejich fascinujících nehermitovských a topologických vlastností. V této práci rozkládáme semiklasické Maxwell-Blochovy rovnice do báze prahových módů, což umožňuje aplikovat standardní poruchovou teorii přímo na laser a dále odvodit zmíněné semianalytické modely. V případě stacionárního režimu vede poruchový přístup na metodu virtuální intenzity, která je diferenciální formulací tzv. prvoprincipiální laserové teorie v jednopólové aproximaci (SPA-SALT). Oproti SPA-SALT není naše teorie omezena na aproximaci ziskového prostředí dvouhladinovými systémy, dovoluje změnu frekvencí laserových módů s čerpáním a není třeba dopočítávat další interakční prah. V případě nestacionárního režimu umožňuje poruchový přístup odvodit obecnou teorii anizotropií v laseru. Časově závislou teorii aplikujeme na spinové lasery, což vede k odvození zobecněného SFM, který korektně popisuje lineární anizotropii v zisku. Zobecněný SFM obsahuje tzv. výjimečné body (EPs) indukované netriviální kombinací anizotropií ve spinovém laseru. EPs spojuje Fermiho oblouk, po jehož celé délce dochází k přepínání polarizačního stavu spinového laseru. V této práci tak předpovídáme nový nehermitovský mechanismus, který může v principu sloužit k ultrarychlé polarizační modulaci na sub-THz frekvencích.9360 - Centrum nanotechnologiívyhově

Spin vertical-cavity surface-emitting lasers with linear gain anisotropy: Prediction of exceptional points and nontrivial dynamical regimes

It is shown that when the linear gain anisotropy is properly accounted for, spin-injected vertical-cavity surface-emitting lasers (spin-VCSELs) offer interesting functionalities. Using the extended spin-flip model (SFM), we predict the existence of exceptional points (EPs) in spin-VCSELs and two interesting phenomena which accompany EPs, namely, (i) the polarization switching manifesting as induced change of field helicity sign and (ii) frequency comb generation without the need of external injection locking. Both effects have tremendous technological potential such as fast on-chip polarization switching, and most importantly, their concepts are not limited only to spin-VCSEL technology. We discuss the concept of anisotropy-engineered non-Hermitian microlasers and we provide a theoretical background to study their polarization dynamics near EPs.Web of Science1073art. no. 03350

Local and mean-field approaches for modeling semiconductor spin-lasers

Electrically and optically pumped spin-polarized vertical-cavity surface-emitting lasers (spin-VCSELs) seem to attain improved performance compared to their conventional counterparts. Their dynamical properties are studied mostly in the framework of effective rate equations containing parameters that are difficult to directly relate with fundamental material properties. Consequently, such approaches are not suitable for the precise design and optimization of future spin-lasers with desirable dynamical properties. We propose a method for extraction of dynamics-related parameters for the spin-flip model, which is widely used for the description of spin-laser dynamics. This method is based on the correspondence between robust local computational tools and effective models. A general matrix formalism based on S-matrices and generalized Maxwell-Bloch equations is used to determine approximate values of parameters such as cavity decay rate or birefringence rate. This would allow us to tune laser properties by changing the optical properties of the laser cavities and active media according to our needs. The method is demonstrated on realistic anisotropic spin-VCSEL structures containing a 12-quantum-well InGaAs/GaAsP active region. The potential limitations of already existing effective models are discussed.Web of Science225art. no. 05500

Spin-VCSELs with local optical anisotropies: Toward terahertz polarization modulation

We present a semiclassical model for spin-injected vertical-cavity surface-emitting lasers (spin-VCSELs) with local optical anisotropies. Particular focus is put on highly anisotropic spin lasers with broad application potential. A generalized matrix formalism for extraction of the laser modes is introduced, which enables us to calculate the spatial distribution of vectorial modes in arbitrary spin-VCSELs. The time dependence of such laser modes is further studied by means of the generalized coupled-mode theory, which is the natural anisotropic generalization of the conventional mode-decomposition approach. We use the circularly polarized optical modes as the basis for coupled-mode theory, which leads to extension of the well-known spin-flip model. In contrast to the conventional spin-flip model, the only input parameters are the geometric and local optical properties of the multilayer structure and properties of the gain media. The advantages of the theory are demonstrated in the design and optimization of spin-VCSEL structures with a high-contrast grating. We show that the proposed structures can be used for (i) polarization modulation in the terahertz range with tremendous applications for future ultrafast optical communication and (ii) as prospective compact terahertz sources.Web of Science151art. no. 01404