Composite-Cavity Organic Microlasers

This thesis deals with the development and investigation of composite-cavity (CC) organic microresonators comprising a vertical cavity (VC) and a distributed feedback structure (DFB). Prepared as separate devices, these two resonators are extensively investigated and characterized by their far-field radiation patterns, emission spectra, and dispersion characteristics. Although the vertical and lateral systems are based on entirely different concepts leading to distinct symmetries, confinement mechanisms, and processes of optical feedback, devices produced with the same set of materials show comparable lasing thresholds. The different angular dispersions of cavity and waveguide (WG) resonances are employed in a laterally structured vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), where a periodic grating serves as a diffractive coupler between these two regimes. A coherent interaction of the vertical and horizontal system is observed as pronounced anticrossings of parabolic and linear dispersion curves in the far-field spectra. As a result from this coherent coupling, the hybridized WG-VCSEL modes show stimulated emission in far-field regions, where the individual photonic structures would not reach the lasing threshold in a decoupled scenario. Efficient optical feedback in surface-normal and in-plane direction is achieved by combining a VC and a second-order DFB structure in a continuous tunable CC microresonator. The optical coupling is due to a first-order light diffraction on a second-order Bragg grating and, in the degenerate case, can be as efficient as the coupling observed in more classical cascade coupled cavities. When the system is non-degenerate, the diffraction efficiency is suppressed because of sub-coherence-length dimensions of the composite-cavity and both resonators tend to operate as independent structures, without experiencing substantial losses due to diffraction on the distributed-feedback grating. Dispersion characteristics of multiple resonances are recorded and related to calculated modes, their field profiles, and coupling efficiencies. In combination with the analysis of input-output measurements, the lasing characteristics of vertical and lateral resonances are controlled by adjusting specific design parameters of the system. For identical resonance energies, the distinct resonators show coherent interaction in the cross-coupled configuration, if the quality of the resonances and the cross-coupling efficiency meet the condition of strong photon-photon interaction. This resonant coupling has a fundamental impact on dispersion and lasing characteristics of the system.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von organischen Mikroresonatoren, die eine Kompositkavität aus einem Oberflächenemitter und einem Resonator mit verteilter Rückkopplung (DFB) beinhalten. Diese beiden Resonatortypen werden zunächst als separate Strukturen hergestellt, untersucht und über deren Intensitätsverteilungen im Fernfeld, Emissionsspektren und Dispersionseigenschaften charakterisiert. Die vertikalen und lateralen Strukturen basieren auf unterschiedlichen Konzepten, die zu völlig verschiedenartigen Symmetrien, Mechanismen des elektromagnetischen Einschlusses und Arten der optischen Rückkopplung führen. Nichtsdestotrotz weisen diese Resonatoren, die mit dem gleichen Materialsatz hergestellt wurden, ähnliche Laserschwellen auf. Die unterschiedliche winkelabhängige Dispersion von Vertikal- und Wellenleitermoden werden in einem lateral strukturierten Oberflächenemitter (VCSEL) ausgenutzt. In dieser Struktur dient eine periodisches Gitter als Kopplungselement zwischen diesen beiden Bereichen. Eine kohärente Wechselwirkung zwischen vertikalem und horizontalem System zeigt sich durch das Auftreten von ausgeprägten Antikreuzungspunkten parabolischer und gerader Dispersionskurven in den winkelaufgelösten Emissionsspektren. Die Folge dieser kohärenten Kopplung ist das Entstehen von Lasermoden in Bereichen des Fernfelds, wo die einzelnen Resonatoren im entkoppelten Zustand die Laserschwelle nicht erreichen würden. Eine wirksame optische Rückkopplung sowohl in Richtung der Oberflächennormalen als auch in lateraler Richtung wird durch die Kombination einer VCSEL und einer DFB-Struktur zweiter Ordnung in einem kontinuierlich durchstimmbaren Kompositresonator erreicht. Die optische Kopplung wird durch Beugung erster Ordnung am Bragg-Gitter zweiter Ordnung realisiert. Im entarteten Fall werden Kopplungseffizienzen beobachtet, die vergleichbar mit denen klassisch kaskadengekoppelter Mikrokavitäten sind. Für verschiedene Energieeigenwerte der zwei Resonatorkomponenten führt die im Vergleich zur Kohärenzlänge geringe Ausdehnung der Kompositkavität zu einer nahezu unabhängigen Tätigkeit der beiden Resonatoren mit nur geringen Verlusten durch Beugung an der periodischen Struktur. Die Dispersionseigenschaften von mehreren Resonanzen werden gemessen und berechneten Moden, deren Feldverteilungen und Kopplungseffizienzen zugeordnet. In Verbindung mit der Analyse der Intensitäten der Lasermoden in Abhängigkeit der Pumpleistung werden die Laserschwellen durch die Anpassung spezifischer Designparameter kontrolliert. Für identische Resonanzenergien weisen die unterschiedlichen Resonatoren eine kohärente Wechselwirkung auf, falls die Qualität der Moden und die Beugungseffizienz die Bedingung für starke Photon-Photon-Kopplung erfüllen. Diese resonante Kopplung zeigt einen fundamentalen Einfluss auf die Dispersions- und Lasereigenschaften im Kompositsystem