Microdisks sind optische Halbleitermikroresonatoren, die sich durch besonders hohe optische Güten und vergleichsweise einfache Herstellung gegenüber anderen Mikroresonatorsystemen hervorheben. Der Lichteinschluss ergibt sich aus der Totalreflektion an den Außenwänden in einer dünnen, kreisförmigen Halbleiterscheibe. Am Rand der Scheibe umlaufendes Licht interferiert mit sich selbst nach einem Umlauf. Dabei bilden sich bei konstruktiver Überlagerung optische Moden aus, die so genannten Whispering-Gallery Modes. Durch die Rotationsymmetrie der Microdisks ergibt sich eine in der Scheibenebene ungerichtete Abstrahleigenschaft. Um eine gerichtete Abstrahlcharakteristik zu erzeugen, muss die Rotationssymmetrie gebrochen werden. Bisher ist von zwei Methoden zur Symmetriebrechung berichtet worden: (i) eine stetige Abweichung von der Kreisform der Microdisk und (ii) das Einbringen eines Streuzentrums auf dem Rand der Microdisk. Die erste Lösung führt nach bisherigen Erkenntnissen zwar zu gerichteter Abstrahlung, allerdings in mehr als einer einzigen Richtung. Letztere Methode birgt gute unidirektionale Abstrahleigenschaften, bringt jedoch meistens drastische Einbrüche in der optischen Güte des Resonators mit sich. Theoretische Arbeiten haben gezeigt, dass ein Luftloch mit einem kleinen Abstand vom Rand der Microdisk ein Streuzentrum nur für bestimmte Moden darstellt, während andere Moden nahezu unbeeinflusst sind. Die gestreute Mode hat eine unidirektionale Abstrahleigenschaft mit niedriger Güte, während die unbeeinflusste Mode gleichmässige Abstrahlung mit hoher Güte zeigt. Zwei solche Moden können unter Umständen ihre Eigenschaften tauschen und zu einer unidirektional abstrahlenden Mode mit hoher optischer Güte hybridisieren.
In dieser Arbeit wurden Halbleiter Microdisks sowohl ohne als auch mit Luftloch hergestellt und mit einem konfokalen Mikrophotolumineszenzaufbau untersucht. Zur genauen Untersuchung der experimentellen Ergebnisse wird zunächst ein theoretisches Modell hergeleitet, dass die Zuordnung von Moden und die Bestimmung der Feldverteilung in einer Microdisk ohne Luftloch erlaubt. Anschließend werden der experimentelle konfokale Mikrophotolumineszenzaufbau beschrieben und auf besondere Eigenschaften unserer Messapparatur eingegangen. Zur Herstellung der Microdisks wird ein nasschemisches Verfahren verwendet, das besonders glatte Flächen erzeugt und so die hohen optischen Güten der Microdisks sicherstellt. Eine Untersuchung an Microdisks ohne Luftloch mit unterschiedlichen Radien bietet die Gelegenheit, das theoretische Modell mit experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Weiterhin werden Microdisks mit Luftloch mit systematisch variierendem Lochabstand auf ihre räumliche Abstrahleingenschaft untersucht. In diesem Rahmen wird ein neues Verfahren zur Detektion der räumlichen Abstrahleigenschaft eingeführt, das die Untersuchung mit einem konfokalen Versuchsaufbau ohne Rotation der Probe oder des Detektors erlaubt. Mithilfe des theoretischen Modells und Simulationen werden die Moden aller Microdisks zugeordnet und auf ihre jeweilige räumliche Abstrahleigenschaft untersucht. Unsere Experimente legen eine unidirektionale Abstrahleigenschaft mit sehr hohen optischen Güten bei Microdisks mit Luftloch nahe.
Microdisks are optical semiconductor microresonators with very high optical qualities and they are easier to fabricate as compared to other microresonator systems. Light confinement in microdisks is a result of total reflection at the surface boundary in a thin, circularly shaped semiconductor slab. Light waves skimming along the circumference of the slab superpose with themselves after one roundtrip. For constructive interference the so-called whispering-gallery modes occur. The emitted light has no preferential direction in the plane of the slab due to the rotational symmetry of the microdisks. In order to generate a directional emission characteristic, this rotational symmetry has to be broken. Two methods for breaking the rotational symmetry have been reported so far: (i) a smooth alteration of the circular shape of the microdisk and (ii) the introduction of a scattering center in the circumference of the microdisk. Until now, the first method has been reported to lead to directional emission in more than one emission direction, whereas the second method yields good unidirectional emission characteristics, but leads to a dramatic decrease of the optical quality of the resonator. Theoretical works have shown that an air hole with a small distance to the circumference of the microdisk acts on some modes as a scattering center, while others are almost unaffected by the hole. A scattered mode has a unidirectional emission behavior whereas an unaffected mode shows uniform emission with a high quality factor. Two of these modes may interchange their characteristics under certain circumstances and hybridize into a mode with unidirectional emission and a high quality factor.
In this work semiconductor microdisks without and with an air hole were fabricated and investigated with a confocal micro-photoluminescence setup. First, a theoretical model is derived for the detailed analysis of the experimental results. It allows for the mode assignment and the calculation of field distributions. Afterwards the experimental confocal micro-photoluminescence setup is explained and special characteristics of this setup are discussed. The fabrication of microdisks is realized by wet-chemical etching processes that produces very smoothly etched surfaces and thus provides microdisks with high quality factors. An investigation on microdisks without an air hole and different radii gives the opportunity to compare the theoretical model with experimental results. Furthermore, microdisks with an air hole and a systematically varying hole distance are investigated with respect to their spatial emission behavior. Within this investigation a new method for detection of spatial emission behavior is introduced that allows for the investigation with a confocal setup without the need to rotate either the sample or the detector. With the help of the theoretical model and simulations the modes of all microdisks are assigned and investigated with respect to their emission spatial behavior. Our experiments strongly suggest a unidirectional emission behavior with very high quality factors for pierced microdisks.