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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
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt „Gekoppelte periodische Nanowellenleiter zur Erzeugung von Photonenpaaren" wurden nichtlineare gekoppelte Wellenleiter für die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts mit genau zwei Photonen untersucht. Diese Photonenenpaare werden durch nichtlineare Konversion von Pumpphotonen erzeugt. Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen lag dabei auf Wellenleitern mit periodischer Nanostrukturierung entlang der Propagationsrichtung, welche die Propagationseigenschaften der geführten Moden der Wellenleiter kontrolliert. Dadurch können auch die spektralen Eigenschaften von in diesen Wellenleitern erzeugten Photonenpaaren kontrolliert werden. Im Projekt wurden Modelle zur theoretischen Beschreibung der Photonenpaarerzeugung in derartigen Systemen entwickelt. Damit wurden dann verschiedene Wellenleitersysteme untersucht. In Wellenleitern, welche durch angrenzende photonische Kristalle periodisch modifiziert sind, konnten wir zeigen, dass Photonenpaare erzeugt werden können, welche keine spektrale Verschränkung mehr aufweisen. Die periodische Strukturierung beeinflusst auch die Propagationsrichtung der erzeugten Photonen, in den im Projekt untersuchten Strukturen könne Photonenpaare ohne Verschränkung erzeugt werden, in denen beide Photonen in unterschiedliche Richtungen propagieren. Dies kann für Anwendungen in der Erzeugung von Einzelphotonen von Bedeutung sein. Neben Nanostrukturierung wurde auch der Einfluss von Kopplung an benachbarte nichtlineare Wellenleiter auf die räumlichen Eigenschaften von Photonenpaaren untersucht. Wir konnten durch analytische Modellierung zeigen, dass in derartigen Systemen mit 2 und 3 gekoppelten Wellenleitern verschiedene Photonenpaarzustände mit sehr hoher Verschränkung erzeugt werden können. Weiterhin wurden gekoppelte Systeme von periodisch nanostrukturierten Wellenleitern untersucht. In diesen Systemen konnte gezeigt werden, dass sie sehr komplexe spektrale Eigenschaften für die Photonenpaare hervorbringen können. Eine unmittelbare Anwendungsrelevanz für diese Ergebnisse konnte aber nicht gefunden werden. Neben diesen theoretischen Untersuchungen war es auch Ziel des Projekts, entsprechende Wellenleitersysteme experimentell zu realisieren. Für die periodisch strukturierten Wellenleiter konnte dieses Ziel nicht erreicht werden, da die dafür notwendige Genauigkeit in der Realisierung der Wellenleiter nicht erreicht werden konnte. Die etablierten Prozesse waren aber ausreichend für die Realisierung unstrukturierter nanoskaliger Wellenleiter in Lithiumniobat. In diesen konnte experimentell gezeigt werden, dass ebenfalls Photonenpaare mit sehr geringer spektraler Verschränkung erzeugt werden können. Abschließend wurde im Projekt die Anwendung von Photonenpaarerzeugung in Wellenleitern für die Spektroskopie untersucht. Dabei konnten wir zeigen, dass bereits in einem Einzelwellenleiter unter Ausnutzung spektraler Korrelationen zwischen den beiden erzeugten Photonen Quantenspektroskopie genutzt werden kann, bei der nur das langwellige Photon mit der Probe interagiert, aber das kurzwellige Photon detektiert wird. Dieser Ansatz für die Spektroskopie kann insbesondere für Messungen im Infraroten von Bedeutung sein, da auch für diese Wellenlängen ein Detektor für sichtbares Licht genutzt werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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