High-Speed Semiconductor Lasers based on Low-Dimensional Active Materials for Optical Telecommunication

The scope of this work is the fundamental growth, tailoring and characterization of self-organized indium arsenide quantum dots (QDs) and their exploitation as active region for diode lasers emitting in the 1.55 µm range. This wavelength regime is especially interesting for long-haul telecommunications as optical fibers made from silica glass have the lowest optical absorption. Molecular Beam Epitaxy is utilized as fabrication technique for the quantum dots and laser structures. The results presented in this thesis depict the first experimental work for which this reactor was used at the University of Kassel. Most research in the field of self-organized quantum dots has been conducted in the InAs/GaAs material system. It can be seen as the model system of self-organized quantum dots, but is not suitable for the targeted emission wavelength. Light emission from this system at 1.55 µm is hard to accomplish. To stay as close as possible to existing processing technology, the In(AlGa)As/InP (100) material system is deployed. Depending on the epitaxial growth technique and growth parameters this system has the drawback of producing a wide range of nano species besides quantum dots. Best known are the elongated quantum dashes (QDash). Such structures are preferentially formed, if InAs is deposited on InP. This is related to the low lattice-mismatch of 3.2 %, which is less than half of the value in the InAs/GaAs system. The task of creating round-shaped and uniform QDs is rendered more complex considering exchange effects of arsenic and phosphorus as well as anisotropic effects on the surface that do not need to be dealt with in the InAs/GaAs case. While QDash structures haven been studied fundamentally as well as in laser structures, they do not represent the theoretical ideal case of a zero-dimensional material. Creating round-shaped quantum dots on the InP(100) substrate remains a challenging task. Details of the self-organization process are still unknown and the formation of the QDs is not fully understood yet. In the course of the experimental work a novel growth concept was discovered and analyzed that eases the fabrication of QDs. It is based on different crystal growth and ad-atom diffusion processes under supply of different modifications of the arsenic atmosphere in the MBE reactor. The reactor is equipped with special valved cracking effusion cells for arsenic and phosphorus. It represents an all-solid source configuration that does not rely on toxic gas supply. The cracking effusion cell are able to create different species of arsenic and phosphorus. This constitutes the basis of the growth concept. With this method round-shaped QD ensembles with superior optical properties and record-low photoluminescence linewidth were achieved. By systematically varying the growth parameters and working out a detailed analysis of the experimental data a range of parameter values, for which the formation of QDs is favored, was found. A qualitative explanation of the formation characteristics based on the surface migration of In ad-atoms is developed. Such tailored QDs are finally implemented as active region in a self-designed diode laser structure. A basic characterization of the static and temperature-dependent properties was carried out. The QD lasers exceed a reference quantum well laser in terms of inversion conditions and temperature-dependent characteristics. Pulsed output powers of several hundred milli watt were measured at room temperature. In particular, the lasers feature a high modal gain that even allowed cw-emission at room temperature of a processed ridge wave guide device as short as 340 µm with output powers of 17 mW. Modulation experiments performed at the Israel Institute of Technology (Technion) showed a complex behavior of the QDs in the laser cavity. Despite the fact that the laser structure is not fully optimized for a high-speed device, data transmission capabilities of 15 Gb/s combined with low noise were achieved. To the best of the author`s knowledge, this renders the lasers the fastest QD devices operating at 1.55 µm. The thesis starts with an introductory chapter that pronounces the advantages of optical fiber communication in general. Chapter 2 will introduce the fundamental knowledge that is necessary to understand the importance of the active region`s dimensions for the performance of a diode laser. The novel growth concept and its experimental analysis are presented in chapter 3. Chapter 4 finally contains the work on diode lasers.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Sprachentwicklung und Fachlernen im Mechanikunterricht

Die empirische Studie untersucht das Wechselspiel zwischen der fachbezogenen Sprachentwicklung und dem Fachlernen von Schülerinnen und Schülern bei der Einführung in den Kraftbegriff. Sie betrachtet also sowohl sprachliche wie auch kognitive Aspekte des Lernens in der Mechanik. Dafür wurde ein Unterrichtskonzept entwickelt, das den Gebrauch des Fachwortes Kraft in der Wissenschaft und in der alltäglichen Sprache besonders thematisiert. Dieses Unterrichtskonzept basiert auf Empfehlungen und Ergebnissen der Kognitionspsychologie, Linguistik, Philosophie, Sprachlehrforschung und der Didaktiken der Physik und der Fremdsprachen. Im Rahmen des Unterrichts wurden die Schülerinnen und Schüler mit zwei Aufgabentypen konfrontiert: Beim ersten Aufgabentyp waren die Lerner aufgefordert, den Kraftbegriff so zu verwenden, wie es einer fachsprachlich angemessenen Form entspräche, etwa um die Bewegung eines Zuges zu beschreiben. Aufgaben des zweiten Typs sahen vor, dass die Schülerinnen und Schüler kurze Texte danach klassifizierten, ob sie der Alltagssprache oder der Fachsprache angehörten. Diese als Metadiskurs bezeichnete Form der Auseinandersetzung mit sprachlichen Aspekten verhalf den Schülerinnen und Schülern zu einer Gelegenheit, ihr eigenes Verständnis des Kraftbegriffs zu thematisieren. Weiter lieferte der Metadiskurs wichtige Hinweise darauf, ob die Schülerinnen und Schüler sich bei ihren Beurteilungen eher auf formal-sprachliche oder inhaltliche Aspekte der Sprache bezogen. Für die Datenerhebung wurden alle Unterrichtsstunden videografiert und transkribiert. Zusammen mit schriftlichen Arbeitsergebnissen und Tests stand ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung, für dessen Auswertung ein inhaltsanalytisches Verfahren Anwendung fand. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lernen im Fach Physik bestimmte Ähnlichkeiten mit dem Lernen einer Fremdsprache zeigt: Wenn die Schülerinnen und Schüler den Kraftbegriff fachsprachlich verwenden sollen, sehen sie sich oft einer Alternativentscheidung gegenüber. Entweder sie versuchen, einer fachsprachlichen Form zu gehorchen und verlieren dabei den Inhalt aus den Augen, oder sie konzentrieren sich auf den Inhalt, drücken sich dabei aber in ihrer Alltagssprache aus und folgen Alltagskonzepten, die weit entfernt von den fachlich intendierten liegen. Ähnliche Beobachtungen kann man im Sprachunterricht machen, wenn Schüler eine neue grammatische Regel einüben: Sie konzentrieren sich entweder auf die neu zu erlernende Regel, oder aber auf den Inhalt des Gesagten, wobei sie die grammatische Regel, die an sich Gegenstand der Übung ist, verletzen. Meistens fällt diese Entscheidung derart, dass die Konzentration auf den Inhalt des Gesagten gerichtet ist, nicht oder wenig auf seine Form. Im Unterschied zum Sprachunterricht ist der Physikunterricht allerdings nicht nur darauf gerichtet, fachsprachlich angemessene Formen einzuüben, sondern insbesondere darauf, den Blick für neue und ungewohnte Konzepte zu öffnen. Damit müssen die Schülerinnen und Schüler hier häufig sprachliche und kognitive Hürden zur selben Zeit bewältigen. Die detaillierte Analyse des Metadiskurses zeigt, dass das Problem des Nebeneinanders zweier unterschiedlicher Anforderung entschäft werden kann: Während die Schüler im Metadiskurs unterschiedliche Aspekte der Sprache diskutieren, sind sie eher in der Lage, sowohl formale wie inhaltsbezogene Merkmale der Sprache wahrzunehmen. Der Text referiert weitere Parallelen zwischen dem Physikunterricht und dem Fremdsprachenlernen, sodass die Auffassung gerechtfertigt ist, dass die Fremdsprachendidaktik als Ideenlieferantin dafür dienen kann, neue Verbesserungsmöglichkeiten für den Physikunterricht aufzufinden.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] I.

A detailed study of the electronic structure and bonding of the pentahalides of group 5 elements V, Nb, Ta, and element 105, hahnium (and Pa) has been carried out using relativistic molecular cluster Dirac-Slater discrete-variational method. A number of calculations have been performed for different geometries and molecular bond distances. The character of the bonding has been analyzed using the Mulliken population analysis of the molecular orbitals. It is shown that hahnium is a typical group 5 element. In a great number of properties it continues trends in the group. Some peculiarities in the electronic structure of HaCl_5 result from relativistic effects.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] II.

Relativistic self-consistent charge Dirac-Slater discrete variational method calculations have been done for the series of molecules MBr_5, where M = Nb, Ta, Pa, and element 105, Ha. The electronic structure data show that the trends within the group 5 pentabromides resemble those for the corresponding pentaclorides with the latter being more ionic. Estimation of the volatility of group 5 bromides has been done on the basis of the molecular orbital calculations. According to the results of the theoretical interpretation HaBr_5 seems to be more volatile than NbBr_5 and TaBr_5.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] III.

Electronic structures of MOCl_3 and MOBr_3 molecules, where M = V, Nb, Ta, Pa, and element 105, hahnium, have been calculated using the relativistic Dirac-Slater discrete variational method. The character of bonding has been analyzed using the Mulliken population analysis of the molecular orbitals. It was shown that hahnium oxytrihalides have similar properties to oxytrihalides of Nb and Ta and that hahnium has the highest tendency to form double bond with oxygen. Some peculiarities in the electronic structure of HaOCl_3 and HaOBr_3 result from relativistic effects. Volatilities of the oxytrihalides in comparison with the corresponding pentahalides were considered using results of the present calculations. Higher ionic character and lower covalency as well as the presence of dipole moments in MOX_3 (X = Cl, Br) molecules compared to analogous MX_5 ones are the factors contributing to their lower volatilities.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] IV.

Results of relativistic (Dirac-Slater and Dirac-Fock) and nonrelativistic (Hartree-Fock-Slater) atomic and molecular calculations have been compared for the group 5 elements Nb, Ta, and Ha and their compounds MCl_5, to elucidate the influence of relativistic effects on their properties especially in going from the 5d element Ta to the 6d element Ha. The analysis of the radial distribution of the valence electrons of the metals for electronic configurations obtained as a result of the molecular calculations and their overlap with ligands show opposite trends in behavior for ns_1/2, np_l/2, and (n -1 )d_5/2 orbitals for Ta and Ha in the relativistic and nonrelativistic cases. Relativistic contraction and energetic stabilization of the ns_1/2 and np_l/2 wave functions and expansion and destabilization of the (n-1)d_5/2 orbitals make hahnium pentahalide more covalent than tantalum pentahalide and increase the bond strength. The nonrelativistic treatment of the wave functions results in an increase in ionicity of the MCl_5 molecules in going from Nb to Ha making element Ha an analog of V. Different trends for the relativistic and nonrelativistic cases are also found for ionization potentials, electronic affinities, and energies of charge-transfer transitions as well as the stability of the maximum oxidation state.