Hocheffiziente Modenberechnungen für neuartige optische Fasergeometrien

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Weiss
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449609999

Optische Fasern stellen ein Kernelement unserer modernen Informationsgesellschaft dar. Konventionelle Fasern führen Licht durch Totalreflexion. Solche Fasern sind einfach herzustellen und erzielen hinreichend geringe Verluste für die meisten Anwendungen. Sie sind jedoch wenig anpassbar, da die einzigen Freiheitsgrade die Materialzusammensetzung und der Kernradius sind, wobei die Totalreflexion Kernmaterialien mit einem höheren Brechungsindex als in der Umgebung für erfordert.Mehrere alternative Faserkonzepte wurden kürzlich eingeführt, die diese Einschränkungen nicht aufweisen, so zum Beispiel photonische Kristallfasern mit Bandlücken und antiresonante Fasern. Um die physikalischen Mechanismen in solchen Fasern zu verstehen und Fasern für bestimmte Anwendungen zu konzipieren, ist numerische Modellierung essenziell. Jedoch sind numerische Berechnungen für diese neuen Fasern ziemlich aufwendig. Dies liegt unter anderem daran, dass deren strukturierter Mantel genau genug dargestellt werden muss. Dieser umfasst nicht nur Subwellenlängenelemente, sondern umspannt auch Bereiche von mehr als zehn Wellenlängen im Durchmesser. Zudem ist die optische Antwort dieser Fasern durch sogenannte Leckwellen bestimmt, welche einen Teil ihrer Energie senkrecht zur Propagationsrichtung abstrahlen. Dieser Beitrag ist oft um Größenordnungen kleiner als die axiale Energiedichte, was wiederum hinreichend aufgelöst werden muss, um die radiativen Verluste vorherzusagen. Folglich sind konventionelle numerische Berechnungen oftmals fehlerbehaftet oder zeitaufwendig.In diesem Projekt wollen wir eine neue numerische Methode für solche Geometrien mit Leckwellen etablieren. Hierfür planen wir, die sogenannte Resonanzzustandsentwicklung für solche Strukturen um geometrieangepasste longitudinale Moden zu erweitern. Die Resonanzzustandsentwicklung benutzt Moden einer einfachen Geometrie als Basis, um ein Eigenwertproblem für die Berechnung der Moden einer komplexen Geometrie aufzustellen. Sie ist für Resonanzzustände und Permittivitätseigenmoden in dreidimensionalen Resonatoren etabliert, wo gezeigt wurde, dass die Implementierung longitudinaler Moden für Änderungen der Materialgrenzflächen zwischen Start- und Zielgeometrie notwendig ist. Wir werden nicht nur dieses Konzept auf geführte Strukturen erweitern, sondern auch Störungstheorien erster und zweiter Ordnung für Frequenzänderungen entwickeln. Dies wird es uns erlauben, die wichtigsten Eigenschaften der Modenpropagation inklusive der Gruppengeschwindigkeit und ihrer Dispersion direkt aus Berechnungen bei einer einzelnen Frequenz zu erhalten. Des Weiteren werden wir die Theorie gekoppelter Moden für longitudinale Änderungen in geführten Strukturen betrachten, um ein universelles Werkzeug für komplexe Fasergeometrien aufzubauen. Wir werden diesen Ansatz benutzen, um den Einfluss transversaler und longitudinaler Störungen zu untersuchen, wodurch wir Designregeln für robuste und stabile Strahlführung entwickeln können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel, Österreich
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Yonatan Sivan, Ph.D.