Light-matter interaction in resonant tunneling diodes and quantum cascade lasers

Abstract

Die Photonik, die Wissenschaft und Technologie des Lichts, schreitet rasant voran. Sie bildet beispielweise das Rückgrat des Internets, indem sie die Mittel für die optische Datenkommunikation bereitstellt. Ein wichtiger spektraler Teil des Lichts ist Infrarotstrahlung, welche sich zwischen dem Hochfrequenzbereich und sichtbaren Licht einordnen lässt. Infrarotlicht wird in unzähligen Anwendungen wie Fernerkundung, Präzisionmetrologie, Bildgebung und optischer Datenkommunikation eingesetzt. Die Hauptkomponenten für technologische Anwendungen von Licht sind Lichtquellen, Übertragungsmethoden wie Wellenleiter, Lichtmodulatoren und Detektoren. Alle genannten Komponenten basieren auf der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Daher ist ein solides Verständnis dieser Wechselwirkung unerlässlich. Aufgrund der beispiellosen wissenschaftlichen Fortschritte, die in den letzten 100 Jahren erzielt wurden, hat sich das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erheblich weiterentwickelt. Moderne Quantenoptische Modelle beschreiben Bereiche, in denen die Kopplung des Lichtfelds an die optischen Übergänge in der Materie so stark ist, dass sich die spontane Emission umkehrt. Obwohl dieser Effekt vor vielen Jahren experimentell nachgewiesen wurde, ermöglichen die Fortschritte auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie die Kombination von elektronischem Transport und starker Kopplung von Licht und Materie. In dieser Arbeit wird die erste Resonanztunneldiode vorgestellt, die im Starkkopplungsbereich betrieben wird. Sie dient daher als Eckpfeiler dieses jungen und rasch voranschreitenden Feldes, welches beispiellose Technologie wie kontrollierter Casimir Photonen Emission ermöglichen könnte. Licht wird auch häufig verwendet, um Materie und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften zu manipulieren. Diese Eigenschaft des Lichts wird typischerweise sowohl in medizinischen als auch in technologischen Anwendungen verwendet. In dieser Arbeit wird eine Methode zur optischen Steuerung des Emissionsspektrums eines Terahertz-Quantenkaskaden-Zufallslasers vorgestellt. Da die Komplexität des vorgestellten Systems sehr hoch ist, werden hochmoderne Computermodelle wie Neuronale Netze verwendet. Diese Methode liefert eine neuartige, hochflexible, kohärente Terahertz-Lichtquelle, die für spektroskopische Anwendungen nützlich sein kann. Seit dem atemberaubenden Erfolg des Computers im letzten und in diesem Jahrhundert werden ständig neue Wege evaluiert, um die Fähigkeiten von Computern der nächsten Generation zu verbessern. Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit, der hohen Bandbreite und der Widerstandsfähigkeit gegen Übersprechen wird Licht häufig als Alternative zur Elektronik für Computer angesehen. Mit dem jüngsten Erfolgen des maschinellen Lernens und verwandter Computer-Vision-Modelle hat Licht in diesem Feld drastisch an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Terahertz-Region, in der das Aufnehmen von Bildern teuer und kompliziert ist, da effiziente und empfindliche 2D-Detektoren kaum verfügbar sind, müssen neuartige Methoden evaluiert werden, um Computer-Vision-Methoden einzusetzen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, um versteckte Objekte mithilfe räumlich modulierter und kohärenter Terahertz-Strahlung rein optisch zu erkennen. Dabei werden die notwendigen Berechnungen optisch und damit inhärent schnell durchgeführt. Die Methode ist sehr genau und robust gegenüber Störungen.

Photonics, the science and technology of light, is rapidly advancing. It for example serves as the backbone of the internet by providing the means for optical data communication. An important spectral part of light is the infrared part, which is located between the radio frequency and visible light regions. Infrared light is used in countless applications such as remote sensing, precision metrology, imaging and optical data communication. The main components for technological applications of light are light sources, efficient transmission schemes such as wave-guides, light modulators and detectors. All of the mentioned components are based on the interaction of light with matter. Therefore a sound understanding of this interaction is imperative. Due to the unparalleled scientific advances made in the last 100 years, the understanding of light-matter interaction has evolved significantly. State-of-the-art quantum optical models describe regimes in which the coupling of the light field to the optical transitions in matter is so strong, that the spontaneous emission is reversed. Even-though this effect has been demonstrated experimentally many years ago, the advances in the field of semiconductor technology allow the combination of electronic transport and strong light-matter coupling. Within this thesis the first resonant tunneling diode operated in the strong-coupling regime is presented. It therefore serves as a cornerstone of this new emerging field, which may lead to unprecedented technology such as controlled Casimir photon emission. Light is also commonly used to manipulate matter and its physical and chemical properties. This property of light is typically used in medical as well as technological applications. Within this thesis a method to optically control the emission spectrum of a terahertz quantum cascade random laser is presented. As the complexity of the presented system is very high, state-of-the-art computer models such as deep convolutional neural networks are employed. This method yields a novel, highly flexible, coherent terahertz light-source, which may be useful for spectroscopic applications.Ever-since the breathtaking success of computing in the last and this century, new ways are explored to advance the capabilities of next generation computers. Due to the high speed of light, its high bandwidth and its resilience against cross-talk, light is often considered to be an alternative to electronics for computing. With the recent rise of machine learning and related computer vision models, light has drastically gained importance in this field. Especially in the terahertz region, where recording images is expensive and complicated, as efficient and sensitive 2D focal-plane detectors are rarely available, novel methods have to be explored to employ computer vision methods. In this thesis a method to all-optically recognize hidden objects by using spatially modulated and coherent terahertz radiation is presented. Thereby the necessary computations are performed all-optically and inherently fast. The method is highly accurate and robust against perturbations.