Anschlussprojekte
Prof. Dr. Ulf Peschel
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Institut für Optik, Information und Photonik
Prof. Dr. Harry A. Atwater
California Institute of Technology, Pasadena (CALTECH)
Engineering & Appl. Science Division
Aktive und fortschrittliche Funktionalitäten in ultrakompakten plasmonischen Nanoschaltkreisen
Die Plasmonik ermöglicht eine Miniaturisierung von photonischen Komponenten auf Größenskalen unterhalb des Abbe’schen Beugungslimits. Im Erstprojekt haben unsere Arbeitsgruppen an der FAU Erlangen und am Caltech gemeinsam plasmonische Nanoschaltkreise entwickelt, die zuvor unerreicht kompakt sind und Licht führen, sowie daran angeschlossene optische Antennen, die einen hochfokussierten Laserstrahl effizient aus dem Fernfeld in die plasmonischen Wellenleiter ein- und aus ihnen auskoppeln (Kriesch et al. Nano Lett. 2013). Im Fortsetzungsprojekt implementieren wir nun zusätzliche Funktionen und untersuchen neue physikalische Phänomene in diesen Schaltkreisen.
Aufbauend auf unseren ersten Experimenten mit subwellenlängen-miniaturisierten elektro-plasmonischen Moduatoren (PlasMOStor, Lee et al. Nano Lett. 2014) entwickeln wir nun weitere funktionale Schaltkreis-Komponenten auf Basis transparenter, leitfähiger Oxide, deren optische Eigenschaften sich durch externe Ladungsträger-Injektion modulieren lassen. Wir untersuchen negative Brechung innerhalb der Schaltkreise und auf dieser Basis zweidimensionale Subwellenlängen-Abbildung. Außerdem arbeiten wir an plasmonischen Nanoschaltkreisen mit einer Vielzahl von optischen Antennen, die Wellenleiter-Netzwerke (resonant guided wave network, RGWN) bilden, sich durch das Design verbundener effektiver Resonatoren einstellen lassen und als Wellenlängen-Multiplex-Filter eingesetzt werden können.
Ausgangsprojekt: Integration plasmonischer Nanokomponenten in photonische Siliziumschaltkreise
Abschlussbericht
In Fortführung früherer Arbeiten entwickelten und testeten wir verschiedene neue plasmonische Nanoschaltkreise in denen Licht im Subwellenlängenbereich manipuliert wird (350 nm < λ0 = 1550 nm), wobei die Reduktion optischer Verluste eine besondere Herausforderung darstellte (Fabrikation am CALTECH, Messungen an der FAU). Besonders konzentrierten wir uns auf plasmonische Wellenleiterarrays [1], die mittels einer Yagi-Uda-Nanoantenne angeregt wurden und im optischen Experiment negative Kopplung, invertierte Brechung und anomale Beugung zeigten, was wir in verschiedenen Experimenten demonstrieren konnten [2].
Weitere Aktivitäten konzentrierten sich auf einen zwischen Metallschichten eingebetteten Schichtwellenleiter mit verschwindendem effektiven Brechungsindex (zero-index), den wir mit einer speziell dafür optimierten Nanoantenne anregten. Wir konnten so erstmalig verschiedene Beugungsexperimente, wie den Young’s Doppelspaltversuch in einem effektiven Null-Index-Material durchführen. Wir beobachteten außerdem unerwartet hohe Rückstreuung durch Inhomogenitäten in der Nähe des Cut-Off des Wellenleiters [2,3].
Unsere Aktivitäten im Bereich der Plasmonik schlossen ebenfalls das Design und Modellierung von Solarzellen auf der Basis von Filmen konisch geformter Titanoxidnanoröhren ein. Wir konnten durch numerische Simulationen zeigen, dass die hohe Effizienz dieser Strukturen durch den weichen Übergang zwischen Luft und Titanröhren, der das Licht tiefer in die Struktur eindringen lässt, beruht. [4].
Unsere Aktivitäten im Rahmen des Projektes schlossen verschiedene Forschungsaufenthalte in Kalifornien ein, z.B. Besuche von Arian Kriesch und Daniel Ploß am CALTECH in Stanford.
Projekt-Publikationen:
[1] A. Kriesch, H. W. H. Lee, D. Ploss, S. P. Burgos, H. Pfeifer, J. Naeger, H. A. Atwater and U. Peschel, “Negative refraction due to discrete plasmon diffraction,” CLEO 2015, San Jose, USA (2015). oral
[2] D. Ploss, A. Kriesch, J. Naeger, and U. Peschel, “Epsilon-near zero wave diffraction in the optical domain,” CLEO 2015, San Jose, USA (2015). oral
[3] D. Ploss, A. Kriesch, C. Etrich, N. Engheta, and U. Peschel, ”Young's Double-Slit, Invisible Objects and the Role of Noise in an Optical Epsilon-near-Zero Experiment,” ACS Photonics 4, 2566-2572 (2017).
[4] S. So, A. Kriesch, U. Peschel, and P. Schmuki, “Conical-shaped titania nanotubes for optimized light management in DSSC reach back-side illumination efficiency > 8%,” Journal of Material Chemistry A, pp. 12603-12608 (2015)