Computergestützte Nanophotonik

Im Rahmen der Emmy-Noether Nachwuchsgruppe “Computational Nanophotonics” wurde eine Vielzahl von Einzelfragen aus dem Bereich der photonischen Nanostrukturen mit Hilfe von quantitativen Simulationen untersucht. Übergreifend hat sich dabei der Erfolg des gewählten Ansatzes gezeigt, der in einer Kombination von mikroskopischen Materialmodellen (Dichtematrixtheorie für Halbleiter, Hydrodynamisches Modell für unterhalb der Bandlücke angeregte Metalle) mit numerischen Methoden zur Lösung der 3D Maxwellgleichungen (FDTD, DG-TD) besteht. Für Halbleiterquantenpunkte, die mit lokalisierten Moden von Defektkavitäten in photonische Kristallen wechselwirken konnten, wurde Normalmodenaufspaltung mikroskopisch und quantitativ gezeigt. Für Kombination mehrerer solcher Systeme konnte der Einfluss der Anordnung bestimmt werden. Für Quantenpunkte in Mikrodisk-Resonatoren in einem Flüssigkristall konnte der Einfluss der variierbaren anisotropen dielektrischen Umgebung simuliert werden und zeigte gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Für Quantenpunktmoleküle konnte gezeigt werden, wie die Tunnelrate zwischen den Quantenpunktzuständen durch den Einfluss der Gitterumgebung in Form von Photonen deutlich verstärkt werden kann. Der Einfluß der Phononen zeigt sich auch deutlich bei adiabatischen Übergängen zwischen den Singlet Zuständen des Quantenpunktmoleküls. Eine Arbeit im Bereich der Quantenoptik in Kooperation mit S. Schumacher zeigte, wie sich durch passende Einstellung eines photonischen eine Biexziton-Zerfallsprozess über einen virtuellen Zwischenzustand massiv verstärken lässt, so dass dieser zum dominanten Prozess wird. Die relativ lange Laufzeit des Projektes erlaubte auch eine interessante aber aufwändige Methodenentwicklung, die mit ungewissen Erfolgsaussichten begonnen wurde. Basierend auf einer dynamischen zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie wurde die nichtlineare Antwort von metallischen Nanostrukturen beschrieben. Mit diesem Ansatz konnte bestätigt werden, dass Second Harmonic Generation an der Oberfläche von Nanostrukturen erzeugt wird, allerdings in einer nichtklassischen da nichtlokalen Weise. Die relevanten Längenskalen konnten extrahiert werden und als Referenz und Basis für numerisch handlichere semiklassische Ansätze wie dem Fermidruck-Modell genutzt werden. Ein weiterer Schwerpunkt war die Entwicklung von numerischen Methoden zur Simulation der elektromagnetischen Feldausbreitung in Nanostrukturen in Kombination mit mikroskopischen Materialmodellen. Hier wurde einerseits auf die weitverbreitete FDTD aufgebaut, die um verschiedene Materialmodelle bei stabiler und konvergenter Simulation erweitert werden konnte. Einen Durchbruch ermöglichte ausserdem die aufwändige Implementierung eines Simulationstools auf Basis der Nodal Discontinuous Galerkin Time Domain Methode, die adaptive Gitter erlaubt und als Verfahren höherer Ordnung besseres Dispersionsverhalten zeigt. Erst dies erlaubte die zuverlässige Simulation der Erzeugung höherer Harmonischer in Nanostrukturen im Rahmen eines erweiterten hydrodynamischen Modells. Für Arrays von plasmonischen Split-Ring-Resonatoren konnte gezeigt werden, dass bei zu hohen Dichten die SHG-Effizienz durch Dämpfungseffekte und Felddeformationen reduziert wird. Insgesamt konnten also eine Vielzahl von interessanten photonischen Nanostrukturen im linearen und nichtlinearen Anregungsbereich erfolgreich mit den entwickelten Theorien auf Basis von mikroskopischen Materialmodellen und Feldsimulationsmethoden beschrieben werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

"Self-assembled quantum dots in a liquid-crystal-tunable microdisk resonator", Physica E 42, 2552 (2010)

Karoline A. Piegdon, Matthias Offer, Axel Lorke, Martin Urbanski, Andreas Hoischen, Heinz-S. Kitzerow, Stefan Declair, Jens Förstner, Torsten Meier, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, Cedrik Meier

"Indirect spin dephasing via charge-state decoherence in optical control schemes in quantum dots", Phys. Rev. A 79, 042331 (2009)

A. Grodecka, P. Machnikowski, and J. Förstner

"Anticrossing of Whispering Gallery Modes in Microdisk Resonators Embedded in an Anisotropic Environment", Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications 8, 273-277 (2010)

S. Declair, C. Meier, T. Meier, J. Förstner

"Enhanced FDTD Edge Correction for Nonlinear Effects Calculation“, Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2010 IEEE, 1-4 (2010)

C. Classen, J. Förstner, T. Meier, R. Schuhmann

"Tuning quantum-dot based photonic devices with liquid crystals", Optics Express, 18, 7946 (2010)

Karoline A. Piegdon, Stefan Declair, Jens Förstner, Torsten Meier, Heiner Matthias, Martin Urbanski, Heinz-S. Kitzerow, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, Axel Lorke, Cedrik Meier

“Reversal of coherently controlled ultrafast photocurrents by band mixing in undoped GaAs semiconductor quantum wells“, Phys. Rev. Lett. 104, 217401 (2010)

S. Priyadarshi, A.M. Racu, K. Pierz, U. Siegner, M. Bieler, H.T. Duc, J. Förstner, T. Meier

“Simulation of the ultrafast nonlinear optical response of metal slabs”, phys. stat. sol. (b) 248, 887 (2011)

Mathias Wand, Arno Schindlmayr, Torsten Meier, Jens Förstner

"Cavity-assisted emission of polarization-entangled photons from biexcitons in quantum dots with fine-structure splitting", Optics Express 20, 5335 (2012)

Stefan Schumacher, Jens Förstner, Artur Zrenner, Matthias Florian, Christopher Gies, Paul Gartner, and Frank Jahnke

"Collective effects in second-harmonic generation from split-ring-resonator arrays", Phys. Rev. Lett. 109, 15502 (2012)

S. Linden, F.B.P. Niesler, J. Förstner, Y. Grynko, T. Meier, M. Wegener

"Photonic Crystal Waveguides Intersection for Resonant Quantum Dot Optical Spectroscopy Detection", Optics Express 20, 14130 (2012)

Xiaohong Song, Stefan Declair, Torsten Meier, Artur Zrenner, Jens Förstner