Lineare und nichtlineare Lichtausbreitung in Wellenleiterarrays bei komplexen Anregungsprofilen

• Applicant: Professor Dr. Stefan Nolte
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2011 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 201786232

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Das Vorhaben befasste sich mit Propagationseffekten in optischen Wellenleitersystemen, die aus komplexen Anregungsverteilungen hervorgehen. Dabei kamen Femtosekunden-lasergeschriebene Wellenleiterarrays für eine Vielzahl experimenteller Untersuchungen zum Einsatz, um zusammen mit Strahlformung durch Spatial Light Modulatoren (SLM) und theoretischen Ansätzen eine systematische Analyse der Evolution und Wechselwirkung strukturierter Wellenpakete zu ermöglichen. Die so gewonnenen Erkenntnisse sind sowohl in der diskreten Optik als auch für fundamentale Fragestellungen von Bedeutung, da sie als quantenmechanische Analogsysteme das Verständnis der Wechselwirkung mit komplexen Potentialen befördern. So gelang es uns beispielsweise, die dynamische Paar-Erzeugung und Vakuum-Instabilität zu studieren, die Aharonov-Anandan-Phase direkt zu messen, und die Gleichrichtung der transversalen Lichtausbreitung in periodisch modulierten Wellenleiterarrays zu demonstrieren. Bei der Charakterisierung der Eigenschaften des Lichtes astronomischer Quellen sind Effizienz, geringe Baugröße und Skalierbarkeit von herausragender Bedeutung. Diesbezüglich eröffnen integriert-optische Interferometriesysteme vollkommen neue Ansätze, wie wir durch die Realisierung dreidimensionaler Komponenten für astrophotonische Mehrkanal-Kohärenzmessungen zeigen konnten. Das womöglich größte Anwendungspotential haben laser-geschriebene Wellenleiterstrukturen als skalierbare integrierte Plattform für quantenphotonische Schaltkreise. Die dreidimensionalen Freiheitsgrade der Herstellungstechnik erlauben maßgeschneiderte Komponenten für die Manipulation einzelner Photonen, die Synthese komplexer verschränkter Zuständen, und die Realisierung von logischen Gates für Qubit-Operationen. Darüber hinaus entwickelten wir eine neue Methode zur Charakterisierung beliebiger quantenoptischer Baugruppen, die ausschließlich klassisches Licht nutzt und bei minimalem experimentellen Aufwand Ergebnisse bisher unerreichter Präzision sowohl für die Amplituden als auch relativen Phasen aller Kanäle liefert. Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für eine neue Generation skalierbarer, integrierter und hocheffizienter optischer Schaltkreise, die eine zentrale Rolle bei der Entwicklung zukünftiger Quanten-Infrastrukturen spielen werden.

Publications

• “Three-dimensional photonic component for multichannel coherence measurements,” Opt. Lett. 37, 3030 (2012)
  S. Minardi et al.
  
• “Vacuum Instability and Pair Production in an Optical Setting,” Phys. Rev. Lett. 109, 110401 (2012)
  F. Dreisow et al.
  
• “Enhanced distribution of a wave-packet in lattices with disorder and nonlinearity,” Opt. Express 21, 927 (2013)
  U. Naether et al.
  
• “Spatial light rectification in an optical waveguide lattice,” Europhys. Lett. 101, 44002 (2013)
  F. Dreisow et al.
  
• “On-chip generation of high-order single-photon W-states,” Nat. Photonics 8, 791 (2014)
  M. Gräfe et al.
  
• “Experimental observation of N00N state Bloch oscillations,” Nat. Commun. 6, 8273 (2015)
  M. Lebugle et al.
  
• “Observation of a Topological Transition in the Bulk of a Non-Hermitian System,” Phys. Rev. Lett. 115, 040402 (2015)
  J. M. Zeuner et al.
  
• “Demonstration of local teleportation using classical entanglement,” Laser Photon. Rev. 10, 317 (2016)
  D. Guzman-Silva et al.
  
• “Harnessing click detectors for the genuine characterization of light states,” Sci. Rep. 6, 19489 (2016)
  R. Heilmann et al.
  
• “Implementation of quantum and classical discrete fractional Fourier transforms,” Nat. Commun. 7, 11027 (2016)
  S. Weimann et al.