Integrierte nicht-lineare phononische Schaltkreise mit optomechanischer Schnittstelle

• Antragsteller: Professor Dr. Hubert Johannes Krenner
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505596454

Das Hauptziel von INPhO ist das Design, die Herstellung und Validierung hochintegrierter nichtlinearer phononischer Schaltkreise mit optomechanischer Schnittstelle für die parametrische Informationsverarbeitung bei Gigahertz-Frequenzen. Hierfür nutzen wir eine einzigartige hybride Architektur, die die hohen Operationsfrequenzen akustischer Oberflächenwellen (SAWs), die nichtlinearen nanomechanischer Resonatoren höchster Güte mit einem der wohl besten optisch aktiven Nanosysteme, epitaktischen Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) verbindet. Ziel von InPhO ist die Entwicklung numerischer und experimenteller Werkzeuge für (i) eine vollständige Untersuchung SAW-gekoppelter nichtlinearer mechanischer Resonatoren und (ii) die Optimierung ihrer optomechanischen Kopplung an QDs. Diese finden Einsatz für das Design abstimmbarer nichtlinearer phononischer Schaltkreise mit integrierter optomechanischer Schnittstelle. Die entwickelten nichtlinearen photonisch-phononischen Schaltungen mit ihren programmierbaren Elementen werden genutzt, um die Grenzen der nanomechanischen parametrischen Logik in den Gigahertz-Frequenzbereich zu verschieben. InPhO baut auf die gründliche Erforschung der nichtlinearen Kopplung zwischen mechanischen, um parametrische Logik wie beispielsweise BIT-Flipping als erstes konzeptionelles Einzelbit-Gatter zu implementieren. Das Hauptziel des Projekts liegt in der Demonstration der Skalierbarkeit der vorgeschlagenen Architektur hin zu Schaltungen mit mehreren Resonatoren. Diese Prototypen umfassen gekoppelte und programmierbare nichtlineare phononische Elemente, die mit photonischen Elementen als optomechanische Schnittstelle konzipiert sind. So wird das Potenzial dieser Plattform untersucht, vielseitige integrierte phononisch-photonische Bauelemente zu realisieren. INPhO baut auf eine einzigartige Kombination der komplementären Expertise der französischen und deutschen Partner in Besançon und Münster. Die Projektpartner an der WWU Münster tragen die Heterointegration von QD-Heterostrukturen auf SAW-Substraten und deren Kopplung an SAWs bei. Die Projektpartner am Institut FEMTO-ST verfügen über langjährige Expertise in der Entwicklung und Herstellung moderner passiver phononischer Schaltkreise auf stark piezoelektrischen Materialien. Die einzigartige Bündelung komplementärer Expertisen in INPhO ermöglicht eine beispiellose Kombination von herausragenden phononischen als auch optomechanischen Eigenschaften auf einer heterointegrierten Plattform. INPhO wird durch die Entwicklung hochmoderner heterointegrierter phononischer Schaltkreise und Bauelemente den Weg hin zu zukünftigen elektronisch-photonisch-phononischen klassischen Informations- und Kommunikationstechnologien ebnen. Die INPhO-Plattform, die nichtlineare phononische Schaltungselemente mit einem der wohl besten Festkörper-Quantenemitter kombiniert, eröffnet aber auch weiter reichende Perspektiven auf dem aufstrebenden Gebiet hybrider Quantentechnologien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerin: Dr. Sarah Benchabane