Nichtlineare Dynamik von Polaritonen

Prof. Dr. Ulf Peschel

Nichtlineare Optik in periodischen photonischen Strukturen

Hier konzentrieren wir uns auf intensive numerische und analytische Studien der Dynamik des Lichts in künstlichen photonische Strukturen, die mit einer nicht-resonanten optischen Nichtlinearität (kubisch oder quadratisch) ausgestattet sind.

Ein komplettes photonisches Gerät kann innerhalb eines geeignet strukturierten photonischen Kristalls im Mikrometerbereich auf einem Chip untergebracht werden. Als Beispiel dient ein rein photonischer Kristall Resonator, der aus einem hochbrechenden Material (z.B. GaAS) mit einer instantanen Kerr-Nichtlinearität hergestellt wurde (siehe Bild a). Dieses "on-chip" Bauelement zeigt eine optische Bistabilität und kann als grundlegender Baustein jeglicher logischer Operation angehen werden. Aufgrund der nichtlinearer Selbstfokussierung konzentriert sich das Licht in eine schmale Region und bildet ein robustes lokalisiertes Objekt mit klar definierter Form und Leistung, das so genannte dissipative Soliton. Dieses lokalisierte Objekt kann ein- und ausgeschaltet und sogar an jede beliebige Position entlang des Bauelements verschoben werden (Bild b).

Der photonische Kristall verändert die Beugungseigenschaften des Lichts durch eine deutliche Reduzierung der Größe des dissipativen Solitons und als Konsequenz die Schaltleistung des Bauelements. Das lässt sich ausnutzen, um ein schnelles rein optisches Schalten bei kleiner Leistung für Schaltfrequenzen von mehreren hundert GHz zu erreichen.

Nichtlineare Optik im Regime der starken Licht-Materie-Kopplung

Hier untersuchen wir die nichtlineare Dynamik von Licht in der Nähe und sogar jenseits der Beugungsgrenze, welches in einem kleinen Volumen von Mikroresonatoren gefangen ist. Das Licht wechselwirkt sehr stark mit dem Material, wodurch signifikante nichtlineare und quanten-elektrodynamisc he Effekte hervorgerufen werden. Ein Beispiel ist ein planarer Mikroresonator mit eingebetteten Quantentöpfen (siehe Fig. A). Eine markante Änderung der optischen Eigenschaften tritt auf, wenn die Bedingungen für das Regime der starken Licht-Materie-Kopplung im Inneren des Resonators erfüllt sind. Unter solchen Bedingungen können die elementaren Anregungen des Systems nicht mehr als rein photonisch beschrieben werden, sondern müssen vielmehr als hybride Strahlungs-Materie-Zustände betrachtet werden. D.h. Licht und Materie sind miteinander verwoben und bilden ein neues Quasiteilchen, genannt Exziton-Polariton. Im linearen Grenzfall zeigen sie eine Dispersionsrelation mit zwei Zweigen, den sogenannten unteren (LP) bzw. oberen (UP) Polaritonzweigen, die durch einen Spalt (Rabi Splitting) getrennt sind (siehe Abb. b). Die neue Physik dieses Systems resultiert aus der Halblicht- Halbmaterie-Natur der Polaritonen und zeichnet sich durch eine starke Nichtlinearität und schnelle Relaxationsdynamik aus.

Ein wichtiges Merkmal der starken Licht-Materie-Wechselwirkung ist, dass man Größe und Vorzeichen der Polariton-Dispersion durch Änderung der transversalen Wellenzahl mittels Neigung des Pumpstrahls beeinflussen kann (siehe Abb. b). Das führt zu neuen Möglichkeiten für die Steuerung von Licht. Damit wird zum Beispiel die Realisierung eines sehr effektiven parametrischen Vierwellenmischprozesses oder die Bildung von robusten lokalisierten Zuständen, die sich mit einer gegebenen Geschwindigkeit in der Ebene eines Hohlraums bewegen, möglich (siehe Fig. c).