Kollektive Mie-Resonanzen für aktive Elemente in der Silizium-Photonik

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Schilling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429807842

Aufgabe des Projektes ist die Untersuchung von silizium-kompatiblen Mie-Resonatoren und ihren Ensembles, die eingebettete Ge-basierte Emitter mit Lumineszenzen im Telekom-Spektralbereich enthalten. Diese Resonatoren weisen kollektive Resonanzen auf, die durch Kontrolle der Größe und Geometrie der einzelnen Nanoresonatoren abgestimmt werden können. Durch die Resonanzen kann die Licht-Materie Wechselwirkung der Ge-basierten Emitter Systeme verstärkt und gesteuert werden, was über den Purcell-Effekt zur Steigerung der Lumineszenzeffizienz und für eine gerichtete Emission genutzt werden soll. Endgültiges Ziel ist die Erreichung stimulierter Emission, die die Grundlage für die Entwicklung eines äußerst kompakten dielektrischen Nanolasers darstellt.Dazu werden folgende drei Konzepte theoretisch und experimentell untersucht mit dem Ziel, die lokale photonische Zustandsdichte oder den Q-faktor der kollektiven Resonanzen zu erhöhen und eine gerichtete Emission zu erreichen: Mie-Resonator-Ketten, Gebundene Zustände im Kontinuum (BIC) und Nanoantennen.In periodischen Mie-Resonator-Kettern soll die Kopplung zwischen den einzelnen Mie-Resonancen und das Aufkommen der Bragg-Resonanzen kontrolliert werden, um die photonischen Zustandsdichte im Bereich der photonischen Bandkanten und flachen Bänder zu erhöhen. Stark erhöhte Q-Faktoren der resultierenden kollektiven Resonanzen werden dabei durch die Auslöschung des Gesamtfernfeldes aufgrund der gegenphasigen Überlagerung der Fernfelder der einzelnen Resonatoren erreicht. Für die Ausbildung eines BIC-Zustandes werden die Strukturparameter der Mie-Resonatoren so gewählt, dass sich zwei unterschiedliche Mie-Resonanzen bei derselben Frequenz überlagern, so dass sich ihre entsprechenden Fernfelder ebenfalls auslöschen. Schließlich wird die räumliche Anordnung der einzelnen Resonatoren so gewählt, dass sich die Emission in gewünschten Richtungen konzentriert, z.B. mit einer dielektrischen Yagi-Uda-Antenne.Als Emittersysteme werden zufällig angeordnete Ge-Quantenpunkte, geordnete Ge-Quantenpunkte und n-dotiertes, gedehntes Ge verwendet. Die mittels MBE hergestellten Ge-Quantenpunkte sind in den Mie-Resonatoren eingebettet. Durch die kontrollierte Anordnung von Ge-Quantenpunkten innerhalb der Mie-Resonatoren kann die positionsabhängige Kopplung zwischen Emitter und Modenfeld gezielt untersucht werden. Schließlich wird hoch-n-dotiertes Ge mittels eines Nichtgleichgewichts-MBE-Prozesses hergestellt und durch die Abscheidung von verspannten SiNx-Schichten gedehnt, so dass direkte Übergänge mit einer deutlich höheren Wahrscheinlichkeit auftreten. Die Möglichkeit für einen Mie-Resonator-Nanolaser wird evaluiert.Dunkelfeldmikroskopie, cw und zeitaufgelöste Mikro-Photolumineszenzspektroskopie werden eingesetzt, um die spektrale Lage der Resonanzen und deren Q-Faktoren, sowie die Purcell-Faktoren experimentell zu bestimmen. Aus der Abbildung der hinteren Mikroskop-Fokalebene wird zudem die Richtung der Emission abgeleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Alexey Novikov, bis 3/2022; Dr. Mihail Petrov, bis 3/2022