In dieser Arbeit werden optische Mikroresonatoren untersucht, die durch den Selbstaufrollmechanimus verspannter Halbleiterschichten entstehen. Wir zeigen die Herstellung aufgerollter Mikroröllchenresonatoren und Experimente an den optischen Eigenmoden. Die Untersuchung erfolgt mittels Mikrophotolumineszenzspektroskopie an Halbleiteremittern die entweder während des Wachstums mit Molekularstrahlepitaxie in die Miroröllchenwand eingebettet oder in Lösung in das hole Innere des Mikroröllchens gefüllt werden. Außerdem haben wir ein theoretisches Modell entwickelt, das den dreidimensionalen Einschluss von Licht in Mikroröllchen präzise und intuitiv beschreibt.
Totalreflexion führt zu einem Lichteinschluss in der dünnen Röllchenwand und zur Ausbildung von Ringmoden durch konstruktive Interferenz nach einem Umlauf. Der spiralförmige Querschnitt mit seiner inneren und äußeren Aufrollkante hat den stärksten Einfluss auf die optischen Eigenmoden. Wir zeigen, dass die Aufrollkanten sowohl für eine stark gerichtete Lichtauskopplung, als auch für einen kontrollierten axialen Lichteinschluss funktionalisiert werden können. Eine spezielle Modulation der äußeren Aufrollkante ermöglicht es, die Modenenergien und die axialen Feldverteilungen sogar maßzuschneidern. Wir stellen verschiedene Strukturierungen der axialen Röllchengeometrie vor, die alle zu einem kontrollierten Lichteinschluss führen. Der axiale Lichteinschluss wird in einem theoretischen Modell erklärt, das auf adiabatischer Separation von zirkularer und axialer Lichtausbreitung basiert. Die gemessenen axialen Intensitätsverteilungen und Modenenergien werden durch Lösungen einer Quasi-Schrödinger-Gleichung wiedergegeben, in die die zirkulare Lichtausbreitung als ein Quasi-Potential eingeht. Das Quasi-Potential kann leicht aus der axialen Röllchengeometrie bestimmt werden. Der kontrollierte axiale Lichteinschluss führt zu scharfen, wohldefinierten Moden und ermöglicht weitere interessante Experimente. Ein spezieller axialer Einschluss erlaubt, eine starke Aufspaltung durch gebrochene Rotationssymmetrie zu beobachten und zu erklären, die bisher an anderen Mikroröllchen nicht so klar beobachtet wurde. Durch Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie können Mikroröllchen sehr dünne Wände aufweisen. Die Beobachtung von Eigenmoden, die über an das evaneszente Feld ankoppelnde Nanokristalle angeregt werden, zeigen, dass Mikroröllchen aufgrund ihrer weit reichenden evaneszeneten Felder gute Kandidaten für mögliche Anwendungen als Sensoren in "Lab-On-A-Chip" Bauteilen sind. Sie könnten auch als Laserresonatoren für eine große Anzahl von Verstärkungsmaterialien dienen, die schwer in andere Typen von Mikroresonatoren eingebracht werden können. Schließlich konnten wir einen Mikroröllchenlaser realisieren. Wir zeigen zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen, die Einsicht in die Photolumineszenzdynamik von aktiven Mikroröllchenresonatoren während der Laserwechselwirkung geben.
In this work we investigate optical microcavities that are formed by the self-rolling meachnism of thin strained semiconductor bilayers. We demonstrate the fabrication of rolled-up microtube resonators, as well as experiments on their optical eigenmodes. We performed micro photoluminescence spectroscopy on semiconductor emitters that were either embedded inside the microtube wall during the bilayer growth by molecular beam epitaxy (MBE) or inserted by fluid fllling insight the hollow core of the microtube. In addition we developed a theoretical model that describes the three-dimensional light confinement in rolled-up microtube resonators in an accurate and intuitive way.
Total internal reflection leads to light confinement in the thin walls of the microtube and to the formation of ring modes by constructive interference after a roundtrip. The spiral-shaped cross section with its inside and outside rolling edge has the strongest impact on the optical eigenmodes. We demonstrate that the rolling edges can be functionalized as strongly directive output couplers, as well as for a controlled axial light confinement. A specific modulation of the outside rolling edge allows us even to tailor the mode energies and the axial field distributions. Furthermore, we introduce other structurings of the geometry along the microtube axis that all lead to a controlled axial light confinement. The axial light confinement is explained in a model based on the adiabatic separation of circular and axial mode propagation. The measured axial intensity distributions and mode energies are reproduced by solutions of a quasi-Schrödinger equation in which the circular propagation is introduced as a quasi-potential. The quasi-potential can easily be determined from the microtube geometry along the axis. The controlled axial light confinement strongly improves the quality of the eigenmode spectrum and makes further interesting experiments possible. A special axial structuring allows us to observe and to explain a well pronounced splitting by the broken rotational symmetry that has not been observed so clearly for other microtubes up to now. Dueto the growth by MBE microtubes can have very thin walls. The observation of eigenmodes excited by evanescent-field-coupled nanocrystals demonstrates that, because of their long ranging evanescent fields, microtubes are good candidates for possible applications as sensors in lab-on-a-chip devices or as laser resonators for a huge amount of gain materials that cannot be integrated easily into other types of microcavties. Finally, we succeeded in the realization of a rolled-up microtube laser. We present time-resolved photoluminescence measurements that give insight into the photoluminescence dynamics in active microtube resonators during the lasing interaction.