Abstimmbare On-Chip-Metawellenleiter für reprogrammierbare integrierte Optik

• Antragsteller: Professor Dr. Antonio Calà Lesina
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544158178

Die integrierte Optik basiert darauf, mehrere passive und aktive optische Komponenten wie Wellenleiter, Koppler, Modulatoren, Lichtquellen und Detektoren auf einem einzigen Chip zusammenzuführen. Dies hat die Entwicklung kompakter und effizienter Geräte ermöglicht, die fortgeschrittene optische Operationen durchführen können, für die traditionell sperrige Optiken und Aufbauten von Tischgröße erforderlich waren. In den letzten zehn Jahren haben wir zum Aufkommen von flachen Optiken beigetragen, die viele sperrige optische Geräte wie Linsen und Polarisatoren durch nanometrisch dünne Geräte, sogenannte Metasurfaces, ersetzt. Diese bestehen aus Nanostrukturen auf einer Oberfläche angeordneten und bieten Funktionalitäten, die mit herkömmlichen optischen Komponenten nicht erreichbar sind. Es wurden verschiedene Mechanismen zur Modifikation der optischen Reaktion von Metasurfaces demonstriert, basierend auf Spannungsgating, Temperaturvariation, mechanischer Aktuation, chemischer Reaktionen, Phasenwechselmaterialien, nichtlinearen Effekten und mikrofluiden Kanälen. Die meisten bislang demonstrierten Metasurfaces wurden für die Ausbreitung im freien Raum entwickelt. In jüngster Zeit wurden jedoch Metasurfaces auf der Oberseite oder an der Kante von Wellenleitern strukturiert, wodurch in der integrierten Optik neue Funktionalitäten eingeführt werden konnten. Der Vorschlag kombiniert die Expertise zweier Gruppen in der Simulation und Gestaltung von abstimmbaren Metasurfaces (Leibniz Universität Hannover, Deutschland) sowie in der Herstellung und Analyse von Wellenleitern und Metasurfaces auf einem Chip (Ben-Gurion University of the Negev, Israel). In diesem Projekt werden dielektrische Metasurfaces auf der Oberseite/an der Kante von Lithiumniobat-Wellenleitern untersucht. Die Abstimmbarkeit der Metasurfaces und die Steuerung optischer Signale werden durch Flüssigkristalle und elektrooptische Effekte erreicht. Numerische Simulationen und inverses Design werden genutzt, um Funktionalitäten wie abstimmbare Polarisationskontrolle, Modenumwandlung und nicht-reziproke Ausbreitung auf einem Chip zu ermöglichen. Die vielversprechendsten Designs werden hergestellt und experimentell in einem über Software steuerbaren Setup validiert. Dies wird letztendlich die Entwicklung reprogrammierbarer optischer Chips für mögliche Anwendungen in optischer Kommunikation, Computertechnik und Sensorik ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländ. Mitantragstellerin: Professorin Dr. Alina Karabachevsky