Nichtlineare und ultraschnelle optische Antwort von mit Monolagen der Übergangsmetalldichalkogenide hybridisierten Metamaterial-inspirierten resonanten Wellenleitern

• Antragstellerin: Professorin Dr. Isabelle Staude
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448835038

Mie-resonante dielektrische Nanostrukturen wurde in den letzten Jahren als effiziente Plattform zur Verstärkung nichtlinearer optischer Frequenzkonversion und ultraschneller optischer Effekte etabliert. Bisher wurden solche dielektrischen Mie-Resonatoren und ihre Fähigkeiten zur Verstärkung von Licht-Materie Wechselwirkungen jedoch hauptsächlich für einzelne Nanoresonatoren oder für sogenannte Metaoberflächen, d.h. planare Anordnungen vieler solcher Nanoresonatoren, untersucht. Ihr Einsatz in technologisch relevanten On-Chip-Wellenleiterarchitekturen bleibt dagegen weitgehend unerforscht. Solche Metamaterial-inspirierten Wellenleiter, die aus Ketten von Mie-resonanten Nanopartikeln bestehen, bieten wichtige Möglichkeiten zur Verbesserung der Funktionalität zukünftiger integrierter photonischer Bauelemente. Insbesondere kann die von den Nanoresonatoren unterstützte optische Nahfeldüberhöhung eine signifikante Verstärkung nichtlinearer optischer Effekte ermöglichen, wie sie für aktive integrierte photonische Bauelemente erforderlich ist.In diesem Projekt möchten wir maßgeschneiderte Mie-resonante dielektrische Wellenleiter mit zweidimensionalen Übergangsmetalldichalkogeniden (2D-TMDs) kombinieren. 2D-TMDs zeigen eine starke lineare und nichtlineare optische Antwort, welche zudem sowohl elektrooptisch als auch opto-optisch auf untraschneller Zeitskala modulierbar ist. Dieses Projekt umfasst das Design, die Herstellung und die optische Charakterisierung der hybriden Mie-resonanten Wellenleitersysteme, mit dem Ziel, die effiziente aktive Kontrolle von Licht auf einem Chip zu demonstrieren. Dabei möchten wir uns auf drei Hauptaufgaben konzentrieren, nämlich (i) die effektive nichtlineare Lichtkonversion, insbesondere die Erzeugung der zweiten Harmonischen, in den hybriden Wellenleitersystemen, (ii) die ultraschnelle opto-optische Modulation von Licht, das durch diese Wellenleiterstrukturen geführt wird, und (iii) die elektrooptische Kontrolle der Wellenleitereigenschaften sowie der in (i) gezeigten nichtlinearen Effekte. Als Wellenleitermaterial möchten wir mit Silizium und Siliziumnitrid zwei dielektrische Materialien verwenden, die sowohl in der integrierten Optik gut etabliert sind und außerdem einen ausreichend hohen Brechungsindex aufweisen, um in entsprechenden Nanopartikeln die Ausbildung starker Mie-Resonanzen zu ermöglichen. Die einkristallinen TMD Monolagen sollen mittels des skalierbaren Ansatzes der chemischen Gasphasenabscheidung gewachsen werden. Wir erwarten, dass die Mie-resonanten Wellenleiterstrukturen die Licht-Materie Wechselwirkung in den 2D-TMDs zum einen durch Konzentration der elektromagnetischen Nahfelder sowie durch Erhöhung der Wechselwirkungslänge durch Propagation im Wellenleiter signifikant verstärken werden. Die grundlegende Untersuchung dieser physikalischen Mechanismen und die darauf basierende Realisierung einer Reihe aktiver, integrierter nanophotonischer Strukturen stehen im Mittelpunkt dieses Projekts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Andrey Fedyanin, bis 3/2022