Microchips that operate with light instead of electronics have become a vision that has been a key driver of semiconductor and nano research during the past years. The consequent drive to replace electronic components by photonic devices has reached a level where today’s communication and computation speed limit, as well as their energy consumption appears antiqued. The data capacity of fiber technology has evolved even faster than the downscaling of microchips and provides huge potential especially for short haul and chip-level interconnects in the near future. In contrast, the increasingly problematic of heat dissipation in electronic microchips and rising costs per bit make it very difficult to enhance speed and computing power simply by following constant field scaling. However, the inefficiency of silicon light sources and the incompatibility of the majority of optically active gain materials for the far advanced silicon technology has hindered the integration of efficient light sources on microchips. Offering a solution to this challenge, semiconductor nanowires can be monolithically integrated directly on silicon whilst maintaining the exceptional optical properties of crystalline direct bandgap semiconductors. Furthermore, the optical cavity formed by the unique nanowire geometry, in combination with the nanowire gain material constitutes all the required components for a nano-scale laser. Integrated on silicon, such coherent on-chip light sources could represent a major step towards the realization of chip-level optical interconnects or even photonic computers that, in the next decade, might not only remain a vision. However, the deleterious impact of non-radiative surface recombinations on the optical properties of III-V semiconductors has inhibited the demonstration of nanowire lasers that operate in the technologically important near infrared spectral range. Furthermore, in previous studies, nanowires typically had to be removed from their growth substrate to enable lasing, negating the huge technological advantage of monolithic integration and rendering their integration impractical. Besides their strong potential for future applications, nanowire lasers constitute a unique system that provide entirely new insights into fundamental gain dynamics at the ultimate downscaling limit of photonic lasers. Although, lasing operation of nanowires has been demonstrated from a broad range of material systems, coherent light-matter interactions within nanowire lasers have not received significant attraction. This thesis demonstrates how GaAs based nanowires are carefully designed to achieve lasing operation in the near infrared spectral range. The presented results demonstrate the first observation of room temperature lasing from GaAs nanowire lasers subject to pulsed optical excitation. Experiments using continuous optical pumping demonstrate continuous wave operation and show spectral linewidths below 200meV. Investigations of the gain and photon dynamics of the nanowire lasers reveal a novel mechanism that allows long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs and potential operation at modulation frequencies >200GHz. Finally, a novel nanowire laser geometry that allows the monolithic integration of nanowire lasers onto silicon microchips is introduced, successfully demonstrated in experiments and has been submitted as patent application. The exceptional properties of GaAs nanowire lasers combined with their unique ability for monolithic integration onto silicon provide nanowire lasers with the potential to impact a broad range of integrated optoelectronic technologies and could be a step along the road toward the vision of photonic microchips.      «

Microchips that operate with light instead of electronics have become a vision that has been a key driver of semiconductor and nano research during the past years. The consequent drive to replace electronic components by photonic devices has reached a level where today’s communication and computation speed limit, as well as their energy consumption appears antiqued. The data capacity of fiber technology has evolved even faster than the downscaling of microchips and provides huge potential...     »

Lichtbetriebe Microchips sind in den letzten Jahren zu eine Vision herangereift, die heute eine Schlüsselrolle für den Fortschritt der Halbleiter- und Nanoforschung darstellt. Der Antrieb elektronische Komponenten durch photonische Bauteile zu ersetzen hat bereits ein Niveau erreicht, bei dem heutige Geschwindigkeitsbeschränkungen für die Kommunikation und der Verarbeitung von Daten antiquiert erscheinen. Dabei hat sich die Leistungsfähigkeit der optischen Fasertechnologie noch schneller weiterentwickelt als die der Microchips und ist nun bereits in der Lage die Kommunikation zwischen Schnittstellen auf Microchipebene zu übernehmen. In elektronischen Mikrochips hingegen, bereiten die wachsende Problematik der Wärme Abführung und die zunehmenden Kosten pro Bit groe Schwierigkeiten, weiterhin einfach durch eine Verkleinerung der Bauteile die Geschwindigkeit von Mikrochips zu erhöhen. Die Ineffiezienz siliziumbasierter Lichtquellen zusammen mit der Inkompatibilität der meisten Lasermaterialien mit der etablierten Siliziumtechnologie hat jedoch den Fortschritt hinsichtlich der Integration von Lichtquellen auf Microchips stark behindert. Eine mögliche Lösung bieten dabei Nanodrähte, die direkt auf Silizium integriert werden und dabei die auergewöhnlichen optischen Eigenschaften von kristallinen Halbleitermaterialien mit direkter Bandlücke beibehalten können. Darüber hinaus stellen die Materialien zusammen mit der einzigartigen Geometrie der Nanodrähte bereits alle nötigen Komponenten eines Lasers dar. Integriert auf Silizium könnten derartige kohärente Microchip-Lichtquellen einen großen Schritt in Richtung optischer Schnittstellen auf Microchipebene oder sogar photonischer Computer bedeuten, die im nächsten Jahrzehnt nichtmehr nur eine Vision bleiben könnten. Dabei hat jedoch die schädliche Wirkung nichtstrahlender Oberflächenrekombinationen auf die optischen Eigenschaften von III-V Halbleitern die Herstellung von Nanodraht Lasern die im Nahinfrarotbereich arbeiten stark behindert. In vorangegangenen Untersuchungen mussten Nanodrähte zudem oft von ihremWachstumssubstrat entfernt werden um das Lasern zu ermöglichen, was jedoch den großen technologischen Vorteil ihrer monolithischen Integration zu nichte und ihre Eingliederung in Schaltkreise unmöglich macht. Neben ihrem großen Potential für zukünftige Anwendungen, bieten Nanodrähte eine einzigartige Plattform die neue Einblicke in die fundamentalen Dynamiken des Laserprozesses an der ultimativen Skalierungsgrenze photonischer Laser gewährt. Obwohl das Lasern durch Nanodrähte bereits von vielen verschiedenen Materialsystemen gezeigt wurde, hat die Licht-Materie Wechselwirkung in Nanodrähten bisher keine signifikante Aufmerksamkeit erhalten. Diese Arbeit zeigt wie Nanodrähte konstruiert werden können um das Aussenden von Laserlicht im Nahinfroten Spektralbereich zu ermöglichen. Die Resultate zeigen die erste Beobachtung von Lasern von GaAs Nanodrähten unter gepulster optischer Anregung bei Raumtemperatur. Experimente bei denen ein kontinuierlicher optischer Pumpmechanismus verwendet wurde zeigen den Dauerstrichbetrieb von Nanodraht Lasern und demonstrieren Linienbreiten kleiner als 200meV. Untersuchungen der Ladungsträger und Photondynamik in Nanodraht Lasern zeigen einen neuen Mechanismus auf, der die Phasenkopplung von Picosekunden Pulspaaren auf langen Zeitskalen ermöglicht und den Betrieb mit Modulationsraten >200GHz erlaubt. Des weiteren wird eine neuartige Nanowire Laser Geometrie zur monolithischen Integration auf Microchips vorgestellt, die schließlich erfolgreich demonstriert und als Patentantrag eingereicht werden konnte. Die Außergewöhnlichen Eigenschaften von GaAs Nanodraht Lasern kombiniert mit ihrer einzigartigen Fähigkeit zur monolithischen Integration auf Silizium verleihen Nanodrahtlasern das Potential Einfluss auf ein breites Spektrum an integrierten, optoelektronischen Technologien zu nehmen und könnten gleichzeitig einen Schritt in Richtung der Vision photonischer Microchips bedeuten.     «

Lichtbetriebe Microchips sind in den letzten Jahren zu eine Vision herangereift, die heute eine Schlüsselrolle für den Fortschritt der Halbleiter- und Nanoforschung darstellt. Der Antrieb elektronische Komponenten durch photonische Bauteile zu ersetzen hat bereits ein Niveau erreicht, bei dem heutige Geschwindigkeitsbeschränkungen für die Kommunikation und der Verarbeitung von Daten antiquiert erscheinen. Dabei hat sich die Leistungsfähigkeit der optischen Fasertechnologie noch schneller we...     »