Systematic study of the influence of coherent phonon wave packets on the lasing properties of a quantum dot ensemble

Kohärente Phononen können die Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleiter Nanostrukturen stark ändern. Bei einem Ensemble von Quantenpunkten (QP) als aktivem Lasermedium sind Phononen im Stande, die Laserintensität deutlich zu verstärken oder abzuschwächen. Die Physik des gekoppelten Phonon-Exziton-L...

Authors: Wigger, Daniel
Czerniuk, Thomas
Reiter, Doris Elisabeth
Bayer, Manfred
Kuhn, Tilmann E.
Division/Institute:FB 11: Physik
Document types:Article
Media types:Text
Publication date:2017
Date of publication on miami:10.08.2017
Modification date:16.04.2019
Edition statement:[Electronic ed.]
Source:New Journal of Physics 19 (2017) 073001, 1-13
Subjects:Lasertheorie; Quantenpunkte; Phononen; Exziton-Phonon-Wechselwirkung; Optomechanische Systeme laser theory; quantum dots; phonons; exciton-phonon interaction; optomechanical systems
DDC Subject:530: Physik
License:CC BY 4.0
Language:English
Funding:Finanziert durch den Open-Access-Publikationsfonds 2017 der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU Münster).
Format:PDF document
ISSN:1367-2630
URN:urn:nbn:de:hbz:6-41249431257
Permalink:http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:6-41249431257
Other Identifiers:DOI: 10.1088/1367-2630/aa78bf
Digital documents:article_njp_wigger.pdf

Kohärente Phononen können die Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleiter Nanostrukturen stark ändern. Bei einem Ensemble von Quantenpunkten (QP) als aktivem Lasermedium sind Phononen im Stande, die Laserintensität deutlich zu verstärken oder abzuschwächen. Die Physik des gekoppelten Phonon-Exziton-Licht-Systems wird von verschiedenen Mechanismen dominiert, die im Experiment nicht eindeutig unterschieden werden können, da die komplizierte Probenstruktur zu einem komplexen Verspannungspuls führt, der auf das QP-Ensemble trifft. Hier zeigen wir durch eine umfassende theoretische Studie, wie die Laseremission durch Phononpulse verschiedener Form und QP-Ensembles verschiedener spektraler Verteilung beeinflusst wird. Dies erlaubt einen Einblick in die grundlegenden Wechselspiele des gekoppelten Gesamtsystems. Dadurch können wir zwischen zwei Mechanismen unterschieden: der adiabatischen Verschiebung des Ensembles und dem Schüttel-Effekt. Dies ebnet den Weg zu einer gezielten Kontrolle der Laser Emission durch kohärente Phononen.

Coherent phonons can greatly vary light–matter interaction in semiconductor nanostructures placed inside an optical resonator on a picosecond time scale. For an ensemble of quantum dots (QDs) as active laser medium, phonons are able to induce a large enhancement or attenuation of the emission intensity, as has been recently demonstrated. The physics of this coupled phonon–exciton–light system consists of various effects, which in the experiment typically cannot be clearly separated, in particular, due to the complicated sample structure a rather complex strain pulse impinges on the QD ensemble. Here we present a comprehensive theoretical study how the laser emission is affected by phonon pulses of various shapes as well as by ensembles with different spectral distributions of the QDs. This gives insight into the fundamental interaction dynamics of the coupled phonon–exciton–light system, while it allows us to clearly discriminate between two prominent effects: the adiabatic shifting of the ensemble and the shaking effect. This paves the way to a tailored laser emission controlled by phonons.