Indirekte photonische Übergänge zur Lichtsteuerung in integrierter Photonik

• Antragsteller: Dr. Alexander Petrov
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261759120

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, mit Hilfe von photonisch indirekten Übergängen, die durch relativistisch sich durch Slow-Light-Wellenleiter bewegende Brechungsindexfronten induziert werden, Lichtsignale zu untersuchen und zu steuern. In Slow-Light-Wellenleitern propagierende Brechungsindexfronten eröffnen die Möglichkeit, eine Vielzahl von grundlegenden physikalischen Effekten zu untersuchen. Insbesondere können Pulse in ihrer Zentralfrequenz verschoben werden, es können Pulse für eine gewisse Dauer gestoppt und gespeichert sowie deren Pulsdauer bzw. Bandbreite komprimiert bzw. verbreitert werden. Darüber hinaus sorgt die indirekte Qualität der photonischen Übergänge für eine Nichtreziprozität ohne, dass externe Magnetfelder angelegt werden müssten. Es lassen sich daher auch Phänomene wie optische Isolation an den von uns vorgeschlagenen Strukturen untersuchen. Über die Gewinnung grundlagenwissenschaftlicher Erkenntnisse hinaus können die Strukturen in der Zukunft eine wichtige Rolle für die Signalprozessierung in optischen Kommunikationssystemen sowie in anderen Gebieten spielen.Die Frequenzverschiebung bei direkten Übergangen ist nur durch die dynamische Brechungsindexveränderung bestimmt (typ. 10-3) und führen damit zu Frequenzänderungen von etwa 100 GHz (1,5 µm Wellenlänge). Die indirekten Übergänge eröffnen darüber hinaus Frequenzsteuerung durch die Frontgeschwindigkeit. Eine nicht-reziproke Frequenzverschiebung an zwei gegenläufigen Signale soll demonstriert werden. Dieses Konzept kann für die Realisierung eines optischen Isolators auf kleinster Fläche verwendet werden - ein aktuelles Forschungsthema, von großem wissenschaftlichem und technischem Interesse. Durch die richtige Kombination der Dispersionskurve und der Frontgeschwindigkeit können auch sehr große Frequenzverschiebungen für kleine Brechungsindexschritten realisiert werden (1 THz und mehr sind möglich). Abstimmbare Zeitverzögerungen sind nur schwer mit direkten Übergängen zu realisieren. Meist wird die Frequenz des Signals verschoben, aber die Gruppengeschwindigkeit bleibt näherungsweise konstant. Hingegen erlaubt ein indirekter Übergang die Wahl der Frontgeschwindigkeit, die zu Zuständen mit sehr unterschiedlichen Gruppengeschwin-digkeiten oder sogar in einen Zustand verschwindender Gruppengeschwindigkeit führen. So ist es geplant, eine abstimmbare Zeitverzögerung zu demonstrieren.Indirekte Übergänge können auch verwendet werden, um optische Pulse nach der Reflexion an einer sich bewegenden Brechungsindexfront zu komprimieren oder zu verbreitern. Dies ist sehr interessant, weil Komprimierungs- und Erweiterungsfaktoren von 1-10 realisiert werden können. Fast 100% Umwandlungseffizienz kann so auch mit einer kleinen Brechungsindexmodulation erzielt werden. Zugleich bleibt die Mittenfrequenz in diesem Übergang erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Manfred Eich