Nonlinear dynamics in dual state quantum dot spin VCSELs

Abstract

Spin vertical-cavity surface-emitting lasers (spin-VCSELs) are semiconductor lasers in which the carrier spin degree of freedom is coupled to the polarisation state of the emitted light. This enables active polarisation control through spin-polarised carrier injection and gives access to threshold reduction, polarisation switching, nonlinear oscillations, chaos, pulse generation, and spiking dynamics. This thesis investigates the nonlinear dynamics of quantum-dot (QD) spin-VCSELs with emphasis on excited-state (ES) lasing and pump ellipticity. QDs provide discrete carrier states, strong carrier localisation, and additional capture and relaxation pathways compared with quantumwell active regions. The spin-flip model is extended to include spin-resolved wetting-layer (WL), ES, and ground-state (GS) carrier reservoirs, together with separate circularly polarised optical fields for both ES and GS emission. This dual-state model is used to study how intradot relaxation, spin relaxation, birefringence, gain, and pump ellipticity shape the polarisationresolved dynamics of the device. First, the influence of ES lasing on chaotic dynamics is analysed using largest Lyapunov exponent maps and correlation-coefficient calculations. The results show that the ES–GS relaxation rate strongly controls the appearance and suppression of chaos. Slow relaxation allows theES to act as an active nonlinear reservoir and favours chaotic behaviour, whereas faster relaxation transfers carriers more efficiently to the GS and stabilises the system. In chaotic regimes, the ES and GS outputs can become weakly correlated, producing coupled but non-redundantnonlinear optical signals from a single device.Second, a pump-ellipticity-driven mechanism for GHz polarised pulse generation is proposed. In this scheme, the total pump strength is fixed while the pump ellipticity is modulated. Sincethe lasing threshold depends on the spin polarisation of the pump, ellipticity modulation candrive the device periodically across the effective threshold without direct current modulation. Distinct GS and ES pulse-generation regimes are identified, with ES pulses extending to higherGHz repetition rates. Finally, pump-ellipticity-controlled spiking dynamics are studied in optically injected dualstate QD spin-VCSELs using bifurcation and continuation analysis. The pump ellipticity is shown to trigger, inhibit, and tune optical spikes by modifying the spin-resolved gain of the circularly polarised components. This demonstrates the potential of dual-state QD spin-VCSELs as photonic spiking neurons in which both temporal and polarisation degrees of freedom can be exploited. Overall, this thesis shows that QD spin-VCSELs with ES dynamics are high-dimensional nonlinear spin-photonic systems. The inclusion of the ES increases the number of wavelength and polarisation channels, modifies chaotic dynamics, enables weakly correlated outputs, andenriches pump-ellipticity control. These results provide a theoretical foundation for future applications in ultrafast optical communication, nonlinear photonics, random signal generation, and neuromorphic photonic processing.

Τα spin vertical-cavity surface-emitting lasers (spin-VCSELs) είναι ημιαγωγικά λέιζερ κατακόρυφης εκπομπής στα οποία ο βαθμός ελευθερίας του σπιν των φορέων συζεύγνυται με την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτός. Αυτό επιτρέπει τον ενεργό έλεγχο της πόλωσης μέσω έγχυσης σπιν-πολωμένων φορέων και οδηγεί σε φαινόμενα όπως μείωση κατωφλίου, μεταγωγή πόλωσης, μη γραμμικές ταλαντώσεις, χάος, παραγωγή παλμών και spiking δυναμική. Η παρούσα διατριβή μελετά τη μη γραμμική δυναμική των spin-VCSELs κβαντικών τελειών, με έμφαση στη συνεισφορά της εκπομπής από τη διεγερμένη ενεργειακή στάθμη (excited state, ES) και στον ρόλο της ελλειπτικότητας της οπτικής άντλησης. Οι κβαντικές τελείες(quantum dots, QDs) διαθέτουν διακριτές ενεργειακές στάθμες, ισχυρό εντοπισμό φορέων και πρόσθετες διεργασίες σύλληψης και ενδοτελειακής αποδιέγερσης σε σύγκριση με ενεργές περιοχές κβαντικών πηγαδιών. Το spin-flip model επεκτείνεται ώστε να περιλαμβάνει σπινεξαρτώμενα ρεζερβουάρ φορέων στο στρώμα διαβροχής (wetting layer, WL), στη διεγερμένη στάθμη και στη θεμελιώδη στάθμη (ground state, GS), καθώς και ξεχωριστά κυκλικά πολωμένα οπτικά πεδία για εκπομπή από την ES και την GS. Το μοντέλο διπλής κατάστασης χρησιμοποιείται για τη μελέτη της επίδρασης της ενδοτελειακής αποδιέγερσης, της αποδιέγερσης του σπιν, της διπλοθλαστικότητας, της απολαβής και της ελλειπτικότητας της άντλησης στη δυναμική της συσκευής.Αρχικά, αναλύεται η επίδραση της εκπομπής από την ES στη χαοτική δυναμική μέσω χαρτών μέγιστου εκθέτη Lyapunov (largest Lyapunov exponent, LLE) και υπολογισμών συντελεστή συσχέτισης (correlation coefficient, CC). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ρυθμός ενδοτελειακής αποδιέγερσης μεταξύ ES και GS ελέγχει έντονα την εμφάνιση και την καταστολή του χάους. Η αργή αποδιέγερση επιτρέπει στην ES να λειτουργεί ως ενεργό μη γραμμικό ρεζερβουάρ και ευνοεί τη χαοτική συμπεριφορά, ενώ η ταχύτερη αποδιέγερση μεταφέρει τους φορείς αποτελεσματικότερα προς την GS και σταθεροποιεί το σύστημα. Σε χαοτικά καθεστώτα, οι έξοδοι ES και GS μπορούν να γίνουν ασθενώς συσχετισμένες, παράγοντας συζευγμένα αλλά μη πλεονάζοντα μη γραμμικά οπτικά σήματα από μία μόνο συσκευή. Στη συνέχεια, προτείνεται ένας μηχανισμός παραγωγής πολωμένων παλμών στην περιοχή των GHz μέσω της ελλειπτικότητας της οπτικής άντλησης. Σε αυτή τη διάταξη, η συνολική ισχύς άντλησης διατηρείται σταθερή, ενώ διαμορφώνεται η ελλειπτικότητα της άντλησης. Επειδή το κατώφλι εκπομπής εξαρτάται από τη σπιν πόλωση της άντλησης, η διαμόρφωση της ελλειπτικότητας μπορεί να οδηγεί περιοδικά τη συσκευή πάνω και κάτω από το ενεργόκατώφλι χωρίς άμεση διαμόρφωση ρεύματος. Προσδιορίζονται διακριτά καθεστώτα παραγωγής παλμών από την GS και την ES, με τους παλμούς της ES να εκτείνονται σε υψηλότερους ρυθμούς επανάληψης στην περιοχή των GHz. Τέλος, μελετάται η spiking δυναμική που ελέγχεται από την ελλειπτικότητα της άντλησης σε dual-state QD spin-VCSELs υπό εξωτερική οπτική έγχυση, χρησιμοποιώντας ανάλυση διακλαδώσεων και continuation. Δείχνεται ότι η ελλειπτικότητα της άντλησης μπορεί να ενεργοποιεί, να αναστέλλει και να ρυθμίζει οπτικούς παλμούς τύπου spike μέσω τροποποίησης της σπιν-εξαρτώμενης απολαβής των κυκλικά πολωμένων συνιστωσών. Αυτό αναδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης των dual-state QD spin-VCSELs ως φωτονικών spiking νευρώνων, όπου μπορούν να αξιοποιηθούν τόσο ο χρονικός όσο και ο πολωτικός βαθμός ελευθερίας. Συνολικά, η διατριβή δείχνει ότι τα QD spin-VCSELs με δυναμική ES αποτελούν πολυδιάστατα μη γραμμικά σπιν-φωτονικά συστήματα. Η συμπερίληψη της ES αυξάνει τον αριθμό των καναλιών μήκους κύματος και πόλωσης, τροποποιεί τη χαοτική δυναμική, επιτρέπει ασθενώς συσχετισμένες εξόδους και εμπλουτίζει τον έλεγχο μέσω ελλειπτικότητας άντλησης. Τα αποτελέσματα παρέχουν θεωρητική βάση για μελλοντικές εφαρμογές σε υπερταχείες οπτικές επικοινωνίες, μη γραμμική φωτονική, παραγωγή τυχαίων σημάτων και νευρομορφικήφωτονική επεξεργασία.