SPP 1839: Tailored Disorder - A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications - Teilprojekt: Design und Kontrolle von Vielfachstreuung in ungeordneten Wellenleitern

Grunddaten zu diesem Projekt

Art des Projektes: Teilprojekt in DFG-Verbund koordiniert außerhalb der Universität Münster
Laufzeit: 01.10.2015 - 30.09.2018 | 1. Förderperiode

Beschreibung

Integrierte nano-photonische Schaltkreise ermöglichen die Realisierung komplexer optischer Funktionalitäten auf reproduzierbare Weise mittels hoch-effizienter Herstellungsverfahren der Nanotechnologie. Typischerweise werden derartige Designs für den Einzelmoden- und Einzelwegbetrieb ausgelegt, wobei die Ausbreitungsrichtung durch die Anordnung der Wellenleiter vorgegeben ist. Diese Vorgehensweise verlangt inhärent nach glatten Oberflächen ohne Streuung und limitiert die minimalen Grundfläche für nano-photonische Elemente, da effiziente Totalreflexion den Biegeradius der Wellenleiter begrenzt. Durch den Übergang zum optischen Mehrmoden- und Mehrwegbetrieb in vorsätzlich ungeordneten Wellenleiterstrukturen beabsichtigen wir, Vielfachstreueffekte nutzbar zu machen um damit eine neue Klasse funktioneller Wellenleiter-Elemente zu realisieren. Durch das Design und die Kontrolle der Vielfachstreuung in freitragenden Membranen lassen sich kompakte und breitbandige optische Systeme für den Betrieb sowohl mit klassischem als auch Quanten-Licht entwickeln. Dabei basiert unser Zugang auf Interferenzeffekten der Vielfachstreuung, welche zu wellenlängenabhängigen Fleckenmustern der Intensität (- Speckles -) am Ausgang maßgeschneiderter Nanostrukturen führen. Durch die Kombination von numerischem Design und experimenteller Umsetzung wird die Wechselwirkung von Licht mit Streuzentren von einem fundamentalen Verständnis bis hin zum Niveau konkreter Anwendungen untersucht werden, aufbauend auf einer skalierbare Implementierung. Darüber hinaus sollen kompakte funktionelle Systeme durch die Verwendung plasmonischer Komponenten entwickelt und auf einem Chip hergestellt werden. Durch die Verwendung metallischer Streuzentren und Wellenleiterstrukturen wird die Grundfläche der breitbandigen funktionellen Elemente gegenüber dielektrischen Systemen signifikant reduziert sowie eine Möglichkeit zur Untersuchung funktioneller plasmonischer Elemente im Quantenbereich geschaffen werden. Weiterhin führen freitragende nanostrukturierte metallische Elemente zu starken Nahfeld-Wechsel-wirkungseffekten mit metallischen Sonden, mit Anwendungen für die Untersuchung des Austausches von virtuellen Photonen im Rahmen der Casimir Wechselwirkung. Dementsprechend führt dieses Projekt mehrere Aspekte des Designs funktioneller photonischer Komponenten in den Bereichen der klassischen und der Quanten-Optik zusammen. Die dabei entwickelten theoretischen Methoden werden nicht nur zu grundlegenden Einsichten des Wechselspiels von ungeordneter Materie mit ballistischer Lichtausbreitung liefern, sondern auch das Design und die Kontrolle photonischer Systeme mit maßgeschneideter Unordnung ermöglichen. Die Untersuchung des Transports von klassischem Licht sowie von einzelnen und virtuellen Photonen wird demnach einzigartige Möglichkeiten zur Nutzbarmachung eines bisher unerschlossenen Bereichs für photonische Systeme der nächsten Generation eröffnen.

Stichwörter: Optik; Quantenoptik; Physik der Atome; Moleküle; Plasmen; Nanophotonik