Raman scattering from In1-x-yGaxAlyAs quaternary alloys

Raman scattering studies were reported of In1-x-yGaxAlyAs/InP lattice matched quaternary alloys. The quaternary alloys a.ere grown on (100) oriented InP substrates by MBE method. The composition and intensity dependence of optical phonon mode frequencies show that the quaternary alloys exhibit three-mode behavior, i.e. InAs-like, GaAs-like and AlAs-like modes. Polarization analysis of the Raman spectra shows that the LO phonon modes are Raman active in the depolarized configuration and Raman inactive in the polarized configuration. TO phonon modes were also observed due to disorder effects, resulting in the asymmetrical shapes of the Raman peaks of the optical phonons.

Ultralow voltage resonant tunnelling diode electroabsorption modulator

Embedding a double barrier resonant tunnelling diode (RTD) in a unipolar InGaAlAs optical waveguide gives rise to a very low driving voltage electroabsorption modulator (EAM) at optical wavelengths around 1550 nm. The presence of the RTD within the waveguide core introduces high non- linearity and negative di erential resistance in the current±voltage (I±V) characteristic of the waveguide. This makes the electric ®eld distribution across the waveguide core strongly dependent on the bias voltage: when the current decreases from the peak to the valley, there is an increase of the electric ®eld across the depleted core. The electric ®eld enhancement in the core-depleted layer causes the Franz±Keldysh absorption band-edge to red shift, which is responsible for the electroabsorption e ect. High-frequency ac signals as low as 100mV can induce electric ®eld high-speed switching, producing substantial light modulation (up to 15 dB) at photon energies slightly lower than the waveguide core band-gap energy. The key di erence between this device and conventional p-i-n EAMs is that the tunnelling characteristics of the RTD are employed to switch the electric ®eld across the core-depleted region; the RTD- EAM has in essence an integrated electronic ampli®er and, therefore, requires considerably less switching power.

Photokathoden mit internem DBR-Reflektor als Quellen hochintensiver spinpolarisierter Elektronenstrahlen

Die Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Intensität (I$geq$2,mA) und hoher Spinpolarisation (P$geq$85%) ist für die Experimente an den geplanten glqq Linac Ringgrqq Electron--Ion--Collidern (z.B. eRHIC am Brookhaven National Laboratory) unabdingbar, stellt aber zugleich eine enorme Herausforderung dar. Die Photoemission aus ce{GaAs}--basierten Halbleitern wie z.B. den in dieser Arbeit untersuchten GaAlAs/InGaAlAs Quanten--Übergittern zeichnet sich zwar durch eine hohe Brillanz aus, die geringe Quantenausbeute von nur ca. 1% im Bereich maximaler Polarisation erfordert jedoch hohe Laserintensitäten von mehreren Watt pro $text{cm}^{2}$, was erhebliche thermische Probleme verursacht. rnrnIn dieser Arbeit konnte zunächst gezeigt werden, dass die Lebensdauer einer Photokathode mit steigender Laserleistung bzw. Temperatur exponentiell abnimmt. Durch Einbringen eines DBR--Spiegels zwischen die aktive Zone der Photokathode und ihr Substrat wird ein Großteil des ungenutzten Laserlichts wieder aus dem Kristall herausreflektiert und trägt somit nicht zur Erwärmung bei. Gleichzeitig bildet der Spiegel zusammen mit der Grenzfläche zum Vakuum eine Resonator--Struktur aus, die die aktive Zone umschließt. Dadurch kommt es für bestimmte Wellenlängen zu konstruktiver Interferenz und die Absorption in der aktiven Zone erhöht sich. Beide Effekte konnten durch vergleichenden Messungen an Kathoden mit und ohne DBR--Spiegel nachgewiesen werden. Dabei ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage eines Modells, das auf der dielektrischen Funktion der einzelnen Halbleiterstrukturen beruht. Von besonderer praktischer Bedeutung ist, dass die DBR--Kathode für einen gegebenen Photoemissions-strom eine um einen Faktor $geq$,3{,}5 kleinere Erwärmung aufweist. Dies gilt über den gesamten Wellenlängenbereich in dem die Kathode eine hohe Strahlpolarisation (P$>$80%) produzieren kann, auch im Bereich der Resonanz.rnAus zeitaufgelösten Messungen der Ladungsverteilung und Polarisation lassen sich sowohl Rückschlüsse über die Transportmechanismen im Inneren einer Kathode als auch über die Beschaffenheit ihrer Oberfläche ziehen. Im Rahmen dieser Dissertation konnte die Messgeschwindigkeit der verwendeten Apparatur durch den Einbau eines schnelleren Detektors und durch eine Automatisierung der Messprozedur entscheidend vergrößert und die resultierende Zeitauflösung mit jetzt 1{,}2 Pikosekunden annähernd verdoppelt werden.rnrnDie mit diesen Verbesserungen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich der Transport der Elektronen in Superlattice--Strukturen stark vom Transport in den bisher untersuchten Bulk--Kristallen unterscheidet. Der Charakter der Bewegung folgt nicht dem Diffusionsmodell, sondern gibt Hinweise auf lokalisierte Zustände, die nahe der Leitungsbandunterkante liegen und Elektronen für kurze Zeit einfangen können. Dadurch hat die Impulsantwort einer Kathode neben einem schnellen Abfall des Signals auch eine größere Zeitkonstante, die selbst nach 30,ps noch ein Signal in der Größenordnung von ca. 5textperthousand der Maximalintensität erzeugt.

Experimental analysis of novel telecom source materials and devices

Incumbent telecommunication lasers emitting at 1.5 µm are fabricated on InP substrates and consist of multiple strained quantum well layers of the ternary alloy InGaAs, with barriers of InGaAsP or InGaAlAs. These lasers have been seen to exhibit very strong temperature dependence of the threshold current. This strong temperature dependence leads to a situation where external cooling equipment is required to stabilise the optical output power of these lasers. This results in a significant increase in the energy bill associated with telecommunications, as well as a large increase in equipment budgets. If the exponential growth trend of end user bandwidth demand associated with the internet continues, these inefficient lasers could see the telecommunications industry become the dominant consumer of world energy. For this reason there is strong interest in developing new, much more efficient telecommunication lasers. One avenue being investigated is the development of quantum dot lasers on InP. The confinement experienced in these low dimensional structures leads to a strong perturbation of the density of states at the band edge, and has been predicted to result in reduced temperature dependence of the threshold current in these devices. The growth of these structures is difficult due to the large lattice mismatch between InP and InAs; however, recently quantum dots elongated in one dimension, known as quantum dashes, have been demonstrated. Chapter 4 of this thesis provides an experimental analysis of one of these quantum dash lasers emitting at 1.5 µm along with a numerical investigation of threshold dynamics present in this device. Another avenue being explored to increase the efficiency of telecommunications lasers is bandstructure engineering of GaAs-based materials to emit at 1.5 µm. The cause of the strong temperature sensitivity in InP-based quantum well structures has been shown to be CHSH Auger recombination. Calculations have shown and experiments have verified that the addition of bismuth to GaAs strongly reduces the bandgap and increases the spin orbit splitting energy of the alloy GaAs1−xBix. This leads to a bandstructure condition at x = 10 % where not only is 1.5 µm emission achieved on GaAs-based material, but also the bandstructure of the material can naturally suppress the costly CHSH Auger recombination which plagues InP-based quantum-well-based material. It has been predicted that telecommunications lasers based on this material system should operate in the absence of external cooling equipment and offer electrical and optical benefits over the incumbent lasers. Chapters 5, 6, and 7 provide a first analysis of several aspects of this material system relevant to the development of high bismuth content telecommunication lasers.