Topological effects in optically anisotropic microcavities
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
Wir haben in Fabry-Perot-Resonatoren, d.h. Dünnschichten und Mikrokavitäten, sowohl experimentell als auch theoretisch exzeptionelle Voigt-Punkte im komplexen Energie-Impulsraum nachgewiesen und untersucht. Exzeptionelle Voigt-Punkte sind Entartungen der komplexen Energie und bilden Vortexe der linearen Polarisation und somit Zentren für chirale Moden, welche sich durch zirkulare Lichtpolarisation äußern. Die von uns untersuchten Systeme stellen vergleichsweise einfach herzustellende Strukturen für diese Effekte dar und bieten weitreichende Möglichkeiten zur Manipulation der Eigenschaften der exzeptionellen Punkte. Unsere Ergebnisse gelten für jede planare Mikrokavität mit gebrochener zylindrischer Symmetrie und ebnen somit den Weg für die Nutzung exzeptioneller Punkte in optoelektronischen Bauelementen wie oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität und Resonant-Cavity-Leuchtdioden. Um EPs in der optischen Antwort einer Kavität zu erzeugen, müssen drei Voraussetzungen erfüllte sein: 1. Die Resonanz der Kavität muss spektral gegenüber der Mitte des Stoppbandes der Spiegel verschoben sein, um ein signifikantes TE-TM-Mode-Splitting, d.h. eine polarisationsabhängige Dispersion von Resonanzfrequenz und Verlusten als Funktion des Einfallswinkels, zu erzeugen. 2. Weiterhin muss durch ein doppelbrechendes Material z.B. in der Kavität die Rotationssymmetrie der Konfiguration gebrochen werden. 3. Schließlich muss, da EPs ein dissipatives Phänomen darstellen, entweder das TE-TM-Mode- Splitting oder die durch Anisotropie induzierte Modenkopplung einen imaginären Anteil besitzen, bzw. die polarisationsabhängigen Verluste müssen entweder winkelabhängig oder anisotrop sein. Da bei passiven optischen Materialien die gesamte Antwort eines Schichtstapels nur quadratisch von den Wellenzahlvektoren abhängt, treten EPs stets in Viererkombination als zwei Paare mit entgegengesetzter topologischer Ladung auf. Wir haben gefunden, dass unabhängig von der Symmetrie der Mikrokavität oder der Dünnschicht bei der Verwendung von optisch reziproken Materialien Paare der EPs immer der Inversionssymmetrie +k⃗ || ↔ -k⃗ || unterliegen und es nicht möglich ist, nur einen davon aus dem Lichtkegel herauszuschieben. Um topologisch nicht-triviale Strukturen zu erhalten ist es daher unumgänglich die Reziprozität aufzuheben bzw. Zeitumkehrsymmetrie zu brechen.
Publications
- Exceptional Points in the Dispersion of Optically Anisotropic Planar Microcavities, 2018 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM), 2018, pp. 195-196
Steffen Richter, Jesús Zúñiga-Pérez, Christiane Deparis, Lukas Trefflich, Heinrich-Gregor Zirnstein, Chris Sturm, Bernd Rosenow, Marius Grundmann, Rüdiger Schmidt-Grund
(See online at https://doi.org/10.1109/PHOSST.2018.8456770) - Voigt Exceptional Points in an Anisotropic ZnO-Based Planar Microcavity: Square-Root Topology, Polarization Vortices, and Circularity, Phys. Rev. Lett. 123, 227401 (2019)
Steffen Richter, Heinrich-Gregor Zirnstein, Jesús Zúñiga-Pérez, Evgeny Krüger, Christiane Deparis, Lukas Trefflich, Chris Sturm, Bernd Rosenow, Marius Grundmann, and Rüdiger Schmidt-Grund
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.227401)
