Spatio-temporal modeling and device optimization of passively mode-locked semiconductor lasers / Raum-zeitliche Modellierung und Optimierung von passiv modengekoppelten Halbleiterlasern

Passively mode-locked lasers produce regular optical pulse trains at high repetition rates and find many applications in science and technology. This thesis numerically investigates two specific devices: a monolithically integrated three-section tapered semiconductor quantum-dot laser and a V-shaped external cavity semiconductor laser. Both lasers are motivated and complemented by experiments. Special attention is given to the spatio-temporal intra-cavity electric field and active-medium gain dynamics. The results are used to predict optimal laser configurations and operating conditions. For both lasers, device-specific numerical models, which explicitly include the spatially-inhomogeneous electric field and active medium evolution, are derived from first principles. In order to characterize the temporal pulse train stability, a review of the established long-term timing jitter estimation methods and their applications to simulated time series is presented. Additionally, a new computationally efficient pulse-period fluctuations based method is introduced. All methods are benchmarked with respect to their computational demands. The results are used to deduce usage recommendations for the various methods. The three-section tapered quantum-dot laser produces competitive pulse performances in all measures. Both the pump current dependent sequence of observed emission states, as well as the evolution of the performance figures, can be reproduced by the numerical model. The results are explained in terms of the device geometry and the active medium dynamics. The analysis further unravels a pulse-shaping mechanism that is contrary to the published literature: Pulses broaden in the absorber and shorten in the gain sections. The numerical model is further used to map and understand the dynamics in the operation parameter space, and to explore and identify an optimal device design with respect to the taper angle and the saturable absorber position. The V-shaped external cavity laser stands out by exhibiting pulse-cluster mode-locking states at larger pump currents. The experimentally observed pump-current dependent sequence of emission states can be reproduced and understood in terms of the gain and net-gain dynamics. The twofold interaction with the gain chip in the forward and backward direction is identified as the governing feature. The emission dynamics are consequently demonstrated to critically depend on the gain-chip position. Favorable emission states distribute the pulse interactions with the gain chip equidistantly. Their stability is limited by positive net-gain windows, which are characteristic for the given cavity configuration. Based on the net gain, analytic stability boundaries for the fundamental mode-locking state are derived and optimal cavity configurations are predicted. Apart from the modeling and simulation techniques, this thesis presents evaluation and visualization methods, which enable the analysis of mode-locking and pulse-shaping mechanisms. Their application may facilitate the investigation and exploration of future generations of high-performance passively mode-locked lasers. / Passiv modengekoppelte Laser erzeugen periodisch optische Pulse mit hoher Wiederholungsrate und finden viele Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Diese Dissertation untersucht numerisch zwei spezifische Laser: einen monolithisch integrierten Halbleiter-Quantenpunktlaser mit drei Sektionen und einen V-förmigen Halbleiterlaser mit externem Resonator. Die Simulationen werden durch Experimente motiviert und ergänzt. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der raum-zeitlichen Dynamik des elektrischen Felds und des aktiven Mediums. Die Ergebnisse der Modellierung werden anschließend verwendet, um optimale Laserkonfigurationen und Betriebsbedingungen vorherzusagen. Zunächst werden für beide Laser spezifische numerische Modelle aus fundamentalen Gleichungen hergeleitet, die explizit das räumlich inhomogene elektrische Feld und Verstärkermedium einbeziehen. Beide Modelle werden durch die Reproduktion experimenteller Ergebnisse validiert. Um die zeitliche Pulszugstabilität zu charakterisieren, wird ein Überblick über die etablierten Methoden zur Bestimmung des Long-Term Timing-Jitters und die Anwendung auf simulierte Zeitreihen gegeben. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein neues recheneffizientes Verfahren zur Bestimmung der Pulsregularität eingeführt, welches auf einer Auswertung den Pulsperiodenfluktuationen basiert. Alle existierenden und neuen Methoden werden bezüglich ihres Rechenbedarfs einem Benchmarking unterzogen, sodass aus den Ergebnissen Anwendungsempfehlungen für die verschiedenen Methoden abgeleitet werden können. Der Drei-Sektions-Quantenpunktlaser erzeugt optische Pulse mit herausragenden Eigenschaften, d.h. mit honen Pulsleistungen und wenig Fluktuationen. Sowohl die pumpstromabhängige Abfolge der beobachteten Emissionszustände als auch die Entwicklung der Leistungskennzahlen können durch das entwickelte numerische Modell abgebildet werden. Darüber hinaus lassen sich die Ergebnisse mit der Resonatorgeometrie und der Dynamik des Verstärkungsmediums erklären. Die weitere Analyse deckt einen Pulsformungsmechanismus auf, welcher der veröffentlichten Literatur widerspricht: Pulse verbreitern sich im Absorberabschnitt und verkürzen sich in den Verstärkungsabschnitten. Die Charakterisierung der Dynamik im Betriebsparameterraum erlaubt es ein optimales Laserdesign bezüglich des Konizitätswinkels und der Absorberposition zu identifizieren. Der V-förmige Laser mit externem Resonator zeichnet sich durch eine komplexe Emissionsdynamik bei größeren Pumpströmen aus, welche z.B. Pulse-Cluster-Modenkopplungszustände liefert. Die experimentell beobachtete pumpstromabhängige Abfolge von Emissionszuständen kann in der Arbeit reproduziert und im Hinblick auf die Verstärkungs- und Nettoverstärkungsdynamik verstanden werden. Als maßgebliches Merkmal wird die zweifache Wechselwirkung mit dem Verstärkerchip in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung identifiziert. Es wird weiter gezeigt, dass die Emissionsdynamik kritisch von der Position des Verstärkungschips im Laserresonator abhängt. Vom Laser favorisierte Emissionszustände verteilen die Wechselwirkungen der Pulse mit dem Verstärkungschip äquidistant. Ihre Stabilität wird durch positive Nettoverstärkungsfenster begrenzt, die für die gegebene Resonatorkonfiguration charakteristisch sind. Basierend auf der Nettoverstärkung werden analytische Stabilitätsgrenzen für den fundamentalen Modenkopplungszustand abgeleitet und optimale Resonatorkonfigurationen vorhergesagt. Neben den Modellierungs- und Simulationstechniken werden in dieser Arbeit Auswertungs- und Visualisierungsmethoden vorgestellt, welche die Analyse der Modenkopplungs- und Pulsformungsmechanismen ermöglichen. Ihre Anwendung ist nicht auf die vorgestellten Bauelemente begrenzt, sondern kann die Untersuchung und Erforschung zukünftiger Generationen von verschiedensten passiv modengekoppelten Hochleistungslasern erleichtern. / DFG, 43659573, SFB 787: Halbleiter-Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente