Kollektive Mie-Resonanzen für aktive Elemente in der Silizium-Photonik

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Schilling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429807842

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für eine weitere Integration von Photonik und Elektronik ist die Entwicklung von nanoskaligen siliziumkompatiblen Lichtquellen und Nanolasern von großer Bedeutung. Um die Lichtemission von relativ ineffizienten Emittern wie z.B. SiGe-Quantenpunkten zu erhöhen, können diese in Nanoresonatoren eingebettet werden. Fällt die Emissionswellenlänge mit einer optischen Resonanz zusammen, kann es durch den Purcell-Effekt zu einer beschleunigten Emission kommen, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die gewünschte strahlende Rekombination steigt. Um diesen Effekt zu maximieren, muss der Q-Faktor der Resonanz möglichst hoch und das Volumen des Resonators möglichst klein sein. Falls durch starke Anregung eine Besetzungsinversion im Emittermaterial erreicht wird, ist auch die Konstruktion eines Nanolasers möglich. In diesem Projekt werden dielektrische Mie-Resonatoren wie z.B. Silizium-Nanozylinder untersucht. Diese sind insbesondere für die Lumineszenzerhöhung von eingebetteten Emittern von Vorteil, da sich die Lichtmode im Inneren des Mie-Resonators konzentriert und dort einen guten räumlichen Überlapp mit den Emittern hat. Insbesondere werden Resonatorsysteme untersucht, die kollektive Mie-Resonanzen mit deutlich erhöhten Q-Faktoren aufweisen. Diese entstehen z.B. in einer periodischen Kette aus Siliziumzylindern. Eine kollektive Mie-Resonanz mit hohem Q-Faktor bildet sich z.B. dann, wenn es zu einer gegenphasigen Kombination der individuellen Dipolschwingungen der Einzelresonatoren kommt. Die Reduktion der Strahlungsverluste wird bei steigender Anzahl N der Resonatoren immer besser, so dass der Q-Faktor proportional zu N3 oder für spezifische Interferenzbedingungen mehrerer Moden sogar proportional zu N7 ansteigt. Da das Modenvolumen V nur linear mit N zunimmt, wird immer noch ein superlinearer Anstieg des Q/V-Verhältnisses erzielt, was wichtig für die Lumineszenzerhöhung und die Licht-Materie-Wechselwirkung im Allgemeinen ist. Eine weitere Möglichkeit den Q-Faktor in kollektiven Systemen zu erhöhen, besteht in der Konstruktion eines Bound state in Continuum (BIC) – einer Mode, die aufgrund ihrer Symmetrie nicht an die Umgebung abstrahlen kann. Dies ist z.B. in photonischen Kristallen für verschiedene Moden am Γ-Punkt der Fall. Im Rahmen des Projektes wurde die Kopplung der Emission von Si-Nanokristallen und Siliziumnitrid an solche Moden untersucht. Zeitaufgelöste Messungen der SiNx-Lumineszenz wiesen dabei auf eine beschleunigte Emission aufgrund des Purcell- Effekts für Moden nahe am Γ-Punkt hin. Besonders interessant ist auch die Ausformung von super-cavity-Moden oder quasi BICs in einem einzelnen Mie-Resonator durch die Kopplung von zwei Mie-Resonanzen derselben Frequenz. Die entstehende Hybridresonanz mit hohem Q-Faktor und kleinem Modenvolumen benötigt dabei keine umgebende unterstützende Struktur (wie z.B. einen photonischen Kristall) und repräsentiert damit einen idealen Nanoresonator.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Coupling of Germanium Quantum Dots with Collective Sub-radiant Modes of Silicon Nanopillar Arrays. ACS Photonics, 8(1), 209-217.
  Rutckaia, Viktoriia; Heyroth, Frank; Schmidt, Georg; Novikov, Alexey; Shaleev, Mikhail; Savelev, Roman S.; Schilling, Joerg & Petrov, Mihail
  
• “Luminescence Enhancement of Coupled Dielectric Mie Resonators", Metamaterials Conference, Online, 28 September – 3 October 2020, (oral presentation)
  Viktoriia Rutckaia
  
• High-Q Localized States in Finite Arrays of Subwavelength Resonators. ACS Photonics, 8(12), 3627-3632.
  Kornovan, Danil F.; Savelev, Roman S.; Kivshar, Yuri & Petrov, Mihail I.
  
• “Atomic layer etching: A homogeneous etch process with precise control of the etch-depth and side-wall morphology”, Jahresbericht 2020/21 des Nanotechnikums Weinberg
  K. K. Upadhyayula, B. Fuhrmann & J. Schilling
  
• “Novel shallow-etch recipe to pre-pattern SOI substrates for epitaxial growth of ordered SiGe quantum dots”, Jahresbericht 2020/21 des Nanotechnikums Weinberg
  K. K. Upadhyayula, B. Fuhrmann, F. Heyroth, A. Novikov & J. Schilling
  
• “Study of Photoluminescence Mechanisms from Quantum Dots Embedded in Nanostructures Supporting Mie Resonances", META 2022, the 12th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, 19 - 22 July 2022, Torremolinos - Spain, (invited talk)
  Viktoriia Rutckaia
  
• Collective Modes in the Luminescent Response of Si Nanodisk Chains with Embedded GeSi Quantum Dots. Photonics, 10(11), 1248.
  Zinovyev, Vladimir A.; Smagina, Zhanna V.; Zinovieva, Aigul F.; Rodyakina, Ekaterina E.; Kacyuba, Aleksey V.; Astankova, Ksenya N.; Volodin, Vladimir A.; Baryshnikova, Kseniia V.; Petrov, Mihail I.; Mikhailovskii, Mikhail S.; Verbus, Valery A.; Stepikhova, Margarita V. & Novikov, Alexey V.
  
• Engineering of High-Q States via Collective Mode Coupling in Chains of Mie Resonators. ACS Photonics, 11(4), 1657-1663.
  Mikhailovskii, Mikhail S.; Poleva, Maria A.; Solodovchenko, Nikolay S.; Sidorenko, Mikhail S.; Sadrieva, Zarina F.; Petrov, Mihail I.; Bogdanov, Andrey A. & Savelev, Roman S.
  
• Selective excitation of photon modes in silicon microdisk resonator by deterministic positioning of GeSi quantum dots. Journal of Applied Physics, 136(15).
  Zinovyev, Vladimir A.; Stepikhova, Margarita V.; Smagina, Zhanna V.; Zinovieva, Aigul F.; Bloshkin, Alexey A.; Rodyakina, Ekaterina E.; Mikhailovskii, Mikhail S.; Petrov, Mihail I. & Novikov, Alexey V.