Mikroresonator-Frequenzkämme auf Basis quadratischer und kubischer optischer Nichtlinearitäten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Koos
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505515860

Ziel von QuadCOMB sind neuartige Konzepte für Mikroresonator-basierte Frequenzkammquellen, die optische Nichtlinearitäten zweiter und dritter Ordnung („quadratische“ und „kubische“ Nichtlinearitäten) in einem integriert-optischen Bauteil kombinieren. In den letzten Jahren haben sogenannte Kerr-Frequenzkämme hohe Aufmerksamkeit erfahren, da sie sich in kompakten Mikroresonatoren mit kubischen Nichtlinearitäten erzeugen lassen und breitbandige Spektren mit technisch interessanten Linienabständen im Bereich einiger zehn oder hundert Gigahertz aufweisen. Kerr-Kämme haben das Potenzial, eine Reihe hochrelevanter Anwendungen zu revolutionieren, die von massiv paralleler optischer Datenübertragung über präzise Distanzmessungen bis hin zur hochauflösenden Spektroskopie reichen. Ein Hindernis stellt dabei aber immer noch die Tatsache dar, dass vergleichsweise hohe Pumpleistungen benötigt werden und dass die Konversionseffizienz gering ist. Ferner gibt es derzeit keine Möglichkeit, die Träger-Einhüllenden-Phase von Kerr-Kämmen effizient zu regeln, was eine Grundvoraussetzung für viele Anwendungen im Bereich optischer Frequenzstandards darstellen würde. Im Rahmen von QuadCOMB sollen daher neuartige Ansätze zur Kammerzeugung in integriert-optischen Schaltkreisen erforscht, implementiert und experimentell demonstriert werden mit dem Ziel, geringere Pumpleistungen, bessere Konversionseffizienzen und eine Stabilisierung der Träger-Einhüllenden-Phase zu erreichen. Zu diesem Zweck werden sowohl hybride Bauteilkonzepte erforscht, bei denen quadratische und kubische Nichtlinearitäten zunächst auf verschiedenen optischen Integrationsplattformen realisiert und dann auf Package-Ebene zusammengeführt werden, als auch monolithische Ansätze, bei denen kubische und quadratische Nichtlinearitäten auf demselben Substrat vorliegen. Im Rahmen des Projektes wird zunächst ein theoretischer Rahmen erarbeitet, mit dem sich der simultane Einfluss kubischer und quadratischer Nichtlinearitäten beschreiben lässt und der als Grundlage für das weiterführende Design, die Realisierung und die Charakterisierung der Bauteile dient. Darauf aufbauend werden hybride und monolithische Bauteile realisiert, wobei auf Siliziumnitrid-Strukturen mit rein kubischen Nichtlinearitäten und auf AlGaAs-auf-Isolator-Wellenleiter mit kombinierten quadratischen und kubischen Nichtlinearitäten zurückgegriffen wird. Die Leistungsfähigkeit der Kammquellen wird experimentell unter Beweis gestellt, wobei Anwendungen im Bereich der ultra-breitbandigen Signalverarbeitung und der hochauflösenden Spektroskopie ins Auge gefasst werden. Das Projekt beruht auf einer engen Zusammenarbeit der beteiligten deutschen und französischen Forschungsgruppen und umfasst einen weiteren renommierten Wissenschaftler, der als Mercator-Fellow eingebunden wird. QuadCOMB kann damit auf eine international einzigartige Kombination von Expertisen auf dem Gebiet der photonischen Integration und der nichtlinearen Optik zurückgreifen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Giuseppe Leo; Anne Talneau