Gekoppelte periodische Nanowellenleiter zur Erzeugung von Photonenpaaren

• Antragsteller: Dr. Frank Setzpfandt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327470002

Die zentrale Herausforderung der integrierten Optik ist die möglichst vollständige Kontrolle der räumlichen und spektralen Ausbreitungseigenschaften geführter optischer Felder. Die räumliche Ausbreitung wird oft mit Systemen gekoppelter Wellenleiter mit ähnlichen Eigenschaften gesteuert, zwischen denen aufgrund von evaneszenter Kopplung Energie ausgetauscht werden kann. Dieser Ansatz ist für die meist verwendeten, nur schwach dispersiven Wellenleiter gut verstanden. Starke Dispersion, welche auch die Kontrolle der spektralen Ausbreitungseigenschaften erlaubt, wird hingegen meist in einzelnen nanoskaligen Wellenleitern mit großem Brechzahlkontrast erreicht, wobei zusätzliche periodische Strukturen die Dispersion noch resonant verstärken können.Durch Kopplung von nanoskaligen Wellenleitern mit und ohne periodische Strukturierung soll in diesem Projekt die gleichzeitige Kontrolle der räumlichen und spektralen Ausbreitungseigenschaften erreicht werden. Dadurch werden die Möglichkeiten gekoppelter Wellenleiter zur räumlichen Kontrolle mit denen nanoskaliger und strukturierter Wellenleiter zur Dispersionskontrolle kombiniert. Weiterhin schaffen derartige, bisher noch nicht fundamental untersuchte gekoppelte Systeme aus Wellenleitern mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften neue Freiheitsgrade zur Kontrolle der Lichtausbreitung.Ziel dieses Projekts ist, ein grundlegendes Verständnis für die optischen Eigenschaften solcher gekoppelten periodischen Nanowellenleiter zu erlangen. Insbesondere soll die Abhängigkeit der Ausbreitungseigenschaften von den Parametern der Wellenleiter, also z.B. Größe der Wellenleiter, Periode oder Symmetrie des gekoppelten Systems, verstanden werden. Damit soll ein gezieltes Design von derartigen Wellenleitersystemen für spezifische Anwendungen ermöglicht werden.Ein Anwendungsfall von großer Relevanz ist die Erzeugung von Photonenpaaren mit einstellbaren Eigenschaften mittels spontaner nichtlinearer optischer Effekte. Die spektralen und räumlichen Eigenschaften der dabei erzeigten Zwei-Photonen-Quantenzustände hängen entscheidend von den optische Eigenschaften der als Photonenquelle genutzten Wellenleiter ab. Die hier untersuchten gekoppelten Wellenleitersysteme eröffnen deshalb neue Möglichkeiten der Kontrolle über die erzeugten Quantenzustände. Im Speziellen wollen wir im Rahmen dieses Projekts demonstrieren, dass die untersuchten Strukturen, realisiert in Lithiumniobat, die Kontrolle des Spektrums, der Quantenverschränkung, aber auch der zeitlichen Dynamik bei gleichzeitiger Kontrolle der räumlichen Verteilung des Quantenzustands erlauben.Das durch das Projekt ermöglichte grundlegende Verständnis der Eigenschaften gekoppelter periodischer Nanowellenleitersyteme macht diese vielversprechenden Strukturen für Anwendungen in der integrierten Optik nutzbar. Speziell für die integrierte Quantenoptik werden im Rahmen des Projektes auch schon spezifische Realisierungen aufgezeigt, welche die bisherigen Möglichkeiten übersteigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen