Aufklärung der Rolle der Mantelkomplexität durch Untersuchung der Lichtstreuung zur Verbesserung der Funktionalität von Hohlkernwellenleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315131181

Hohlkernwellenleiter (HKW) stellen eine wichtige Forschungsrichtung in der Photonik dar und bieten deutliche Vorteile gegenüber Fasern mit festen Kernen. Während im Bereich der Hohlkernfasern (HKFn), insbesondere in der Telekommunikation, in letzter Zeit erhebliche Fortschritte erzielt wurden, ist das Portfolio an HKWn in der On-Chip-Photonik deutlich geringer. In der Regel erfordert die Lichtführung in HKWn komplexe mikrostrukturierte Mantelstrukturen, um das Fehlen von totaler interne Reflektion zu kompensieren. Gegenwärtig basieren HKW-Simulationen hauptsächlich auf der Berechnung von Moden. Dies ist bei komplexen Mikrostrukturen kritisch, da sehr lange Simulationszeiten resultieren und die spezifischen Eigenschaften des HKW-Mantels nicht individuell aufgedeckt werden können. Im Bereich der planaren Photonik gibt es umfangreiche Forschungsaktivitäten zur Analyse von Streuprozessen in nano- und mikrostrukturierten Medien, um die Transmissions- und Reflexionseigenschaften zu verstehen. Im Vorgängerprojekt wurde ein mathematisches Modell eingeführt, das die modalen Eigenschaften von HKWn mit den Streueigenschaften des Fasermantels verknüpft, welche unabhängig von der Kernmode berechnet werden. Dies ermöglicht es prinzipiell, die Lichtführung in HKWn aus der bisher wenig beachteten Perspektive der Lichtstreuung zu verstehen und zu optimieren. Darauf aufbauend wird in diesem Projekt untersucht, wie die Lichtführung in HKWn aus der Perspektive der Lichtstreuung des Mantels verstanden werden kann, wodurch eine Verbindung zwischen planarer Photonik und HKWn etabliert wird. Mit Hilfe des erwähnten mathematischen Modells werden die Eigenschaften des HKW-Mantels ohne Berücksichtigung des Kerns untersucht und optimiert. Dies ermöglicht (i) die gezielte Untersuchung spezifischer Manteleigenschaften, (ii) die Optimierung der Manteleigenschaften durch computer-gestützte Optimierung und (iii) die Übertragung etablierter nano- und mikrophotonischer Effekte auf HKWn. Zwei Wellenleiterplattformen - nanogedruckte Lichtkäfige und HKFn - werden eingesetzt, um (i) großskalige Parameter-Sweeps durchzuführen, (ii) unkonventionelle Mantelgeometrien zu etablieren und (iii) potenziell verlustarme Wellenleiter zu realisieren. Ein Schwerpunkt liegt auf der Optimierung von HKWn und insbesondere der Lichtkäfige für den mittleren IR-Bereich und der Untersuchung ihres Potenzials für spektroskopische Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses grundlagenorientierte Projekt HKW aus neuen und bisher nicht berücksichtigten Perspektiven mit einem unkonventionellen Ansatz untersucht. Unerforschte physikalische Prinzipien werden aufgedeckt und eine effiziente computergestützte Optimierung ermöglicht, die zu innovativen HKWn mit maßgeschneiderten Eigenschaften für verschiedene Anwendungen in der Telekommunikation, den Lebenswissenschaften oder der Quantentechnologie führen könnte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christopher Poulton