Adiabatische Frequenzkonversion mit Hilfe der elektro-optischen Antwort von Kalium-Niobat-Tantalat-Mischkristallen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Ingo Breunig
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451963068

Im Rahmen des Projekts soll ein optischer Frequenzkonverter realisiert und untersucht werden, der eingestrahltes Laserlicht in der Frequenz um einige 10 THz verschiebt (> 50 nm bei 1 Mikrometer Wellenlänge). Die Konversion soll mit 100 % interner Effizienz auf der Nanosekunden-Zeitskala ablaufen, und zwar mit einem System für alle Wellenlängen vom sichtbaren Spektralbereich bis an die Grenze zum mittleren Infrarot. Dabei folgt der Wert der Frequenzverschiebung einer angelegten elektrischen Spannung, so dass sich fast beliebige zeitlich variierende Signale durch Spannungsmodulation realisieren lassen, z. B. lineare Frequenz-Chirps. Das soll durch adiabatische Frequenzkonversion ermöglicht werden, deren akustisches Analogon wohlbekannt ist: Zupft man eine Gitarrensaite und variiert deren Länge während der Abklingzeit, verändert sich die Tonhöhe. Dieses Prinzip lässt sich auf die Optik übertragen: Hier koppelt man Licht in einen Resonator ein und variiert dessen optische Länge während der Abklingzeit. Die Frequenz des im Resonator zirkulierenden Lichts folgt der sich verändernden Resonanzfrequenz. Diese Art der Frequenzkonversion hat deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden. So beträgt die Effizienz 100 %, unabhängig von der Lichtintensität, und der Prozess funktioniert universell ohne Phasenanpassung, also für Licht aller Wellenlängen, die in dem Resonator zirkulieren können. Bisher wurden nur relativ kleine Frequenzverschiebungen im Bereich einiger 100 GHz realisiert (1 nm bei 1 µm Wellenlänge). Wir planen, diesen Wert auf das Hundertfache zu steigern. Das soll durch den Einsatz von Flüstergalerieresonatoren aus Kalium-Tantalat-Niobat-Kristallen (KTN) gelingen. Diese weisen in der Nähe des über die Einstellung der Kristalltemperatur erreichbaren Übergangs zwischen ferro- und paraelektrischer Phase ungewöhnlich hohe elektro-optische Koeffizienten auf, die bei elektrischen Feldern von wenigen kV/mm Brechungsindexänderungen von 10 % ermöglichen könnten. Elektro-optisch getriebene adiabatische Frequenzkonversion ist bisher kaum untersucht. Um unser ambitioniertes Ziel – die Realisierung des oben beschriebenen Frequenzkonverters – zu erreichen, sind zunächst fundamentale wissenschaftliche Fragen zu klären: Welche räumliche Verteilung hat das resonatorinterne elektrische Feld, das sich durch Anlegen der Spannung an die Elektroden aufbaut? Gibt es hier einen Unterschied zwischen ferroelektrischer und paraelektrischer Phase? Wie dicht kann man am Phasenübergang arbeiten? Werden ab bestimmten elektrischen Feldern Ladungen in den Kristall injiziert, die die Feldverteilung beeinflussen oder die Abklingzeit reduzieren? In welchen Wellenlängen- und Leistungsgrenzen ist die Frequenzkonversion möglich? Wir erwarten durch dieses Projekt einen starken Impuls für die wissenschaftliche Untersuchung, die technische Entwicklung und auch die Anwendung neuartiger Frequenzkonverter. Sie könnten z. B. für Abstandsmessungen und schnelle Spektroskopie eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen