Relativistische photonische Bandlückenspiegel in der integrierten Optik

• Antragsteller: Dr. Alexander Petrov
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392102174

In diesem Projekt wollen wir erstmalig auf photonischen Kristallen basierende relativistische Spiegel realisieren. Mit diesen propagierenden Spiegeln lässt sich die Frequenz und die Bandbreite von optischen Signalen dramatisch verändern. Dafür schlagen wir vor, ein System von gekoppelten photonischen Kristall-Wellenleitern zu verwirklichen und dieses nahe am Punkt der Entartung (Dirac Punkt) zu betreiben. Diese Entartung kann durch freie Ladungsträger aufgehoben werden, die mittels Zweiphotonenabsorption des Pumpimpulses erzeugt werden. Die aufgehobene Entartung führt zu einer lokalen photonischen Bandlücke, wobei sich die räumliche Begrenzung dieser Bandlücke mit der Gruppengeschwindigkeit des Pumpimpulses bewegt. Ein optisches Signal bei einer Frequenz innerhalb der lokalen Bandlücke wird daher reflektiert und erfährt dabei eine Frequenzverschiebung und Bandbreitenänderung. Das von uns angestrebte System ermöglicht erstmalig die Anwendung des Konzepts relativistischer Spiegel in der integrierten Optik. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Realisierung von gekoppelten Wellenleitern mit geringem Verlust, die in der Nähe des Dirac Punktes betrieben werden und die eine effiziente Injektion der Signal- und Pumpimpulse in das Wellenleitersystem erlauben. An diesen Systemen sind in der Folge dynamische Experimente zur Charakterisierung der Signalreflexion an der relativistisch propagierenden photonischen Bandlückenfront geplant. Wir erwarten, dass die Pulsbreite des Signals durch die Reflexion um den Faktor 10 bis 100 komprimiert werden kann, ohne dass die Zentralfrequenz hierbei signifikant verschoben wird. Die experimentelle Realisierung solcher propagierender photonischer Bandlückenfronten ermöglicht auch die Untersuchung anderer verwandter Effekte, wie z.B. die Untersuchung der spontanen Erzeugung von Photonen an der Front.Das Projekt wird im Rahmen des gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der National Natural Science Foundation of China (NSFC) aufgelegten Förderprogramms "Joint Sino-German Research Projects" beantragt. Es soll in Zusammenarbeit mit Dr. Juntao Li und Dr. Xinlun Cai von der Sun Yat-sen University (SYSU), Guangzhou, China, durchgeführt werden. Das Projekt an der SYSU konzentriert sich auf die Optimierung von Designs im Hinblick auf Lithographie- und Ionenätzprozesse sowie auf die Fertigung der verlustarmen gekoppelten photonischen Kristallwellenleiter. Die Herausforderung liegt hierbei auf der Weiterentwicklung der Prozesse mit dem Ziel der nanometergenauen Herstellung der Strukturen. Die Antragsteller von der Technischen Universität Hamburg (TUHH) entwickeln diese Strukturen in Bezug auf deren physikalisch-optische Funktionalität und führen die experimentelle Charakterisierung der relativistischen Effekte auf den hergestellten Chips durch.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Manfred Eich
• Kooperationspartner: Dr. Xinlun Cai; Dr. Juntao Li