Wellen-Wechselwirkung in integriert-photonischen Bauteilen

Miniaturisierte optische Systeme in der Form photonischer Chips spielen eine wichtige Rolle für die weltweite optische Telekommunikation, oder für kompakte Hochleistungssensoren für umwelttechnische, chemische, biologische, oder medizinische Anwendungen. Die Komponenten dieser Systeme nutzen die stark materialabhängigen Ausbreitungseigenschaften des Lichts. Geeignet strukturierte Bauteile ermöglichen die Führung und Manipulation der Lichtwellen im Mikrometerbereich. Computersimulationen sind unverzichtbar sowohl für das Design spezifischer Bauteile als auch für mehr grundlagenorientierte Forschung in in diesem Gebiet. Probleme dabei ergeben sich einerseits aus dem meistens sehr begrenzten Anwendungsbereich von analytischen Techniken, und andererseits aus einem häufig unakzeptabel hohen Rechenaufwand für Simulationen auf der Basis rein numerischer Verfahren. In diesem Projekt werden wir deshalb eine Zwischenstrategie verfolgen. Typischerweise besteht ein photonischer Schaltkreis aus einer Anzahl von Elementen (Wellenleiter, Resonatoren), deren Simulation und Entwurf, üblicherweise mittels mehr oder weniger ausgereifter numerischer Werkzeuge, einigermaßen Routine ist. Es fehlt eine Möglichkeit, die Wechselwirkung der Wellen, die von diesen Elementen geführt werden, quantitativ vorherzusagen. Hierzu haben wir vor kurzem eine allgemeine, "hybride" Variante (HCMT) eines Verfahrens vorgeschlagen, das unter dem Namen "Theorie der gekoppelten Moden" (Coupled Mode Theory) bekannt ist. Die optischen Eigenschaften eines Schaltkreises werden beschrieben als Überlagerungen von Eigenlösungen seiner Bestandteile, unter Zuhilfenahme von Methoden der Finite-Elemente Numerik. Man erhält gute quantitative, niedrigdimensionale, und einfach zu interpretierende Modelle. Bisherige erfolgreiche Anwendungen der Methodik betreffen bestimmte Klassen von 2-D Strukturen, bestehend aus geraden und gekrümmten Wellenleitern, sowie aus Komponenten mit lokalisierten Resonanzen. Auf der Basis dieser Erfahrungen möchten wir in diesem Projekt zeigen, daß, bzw. untersuchen, inwieweit die HCMT Methoden erweiterbar sind auf (I) Modelle in 3-D, (IIa) auf Bauteile mit sukzessiv veränderlichen Kanälen, und (IIb) auf Konfigurationen die periodisch modulierte Bereiche enthalten / auf Strukturen auf der Basis photonischer Kristalle. Theorie und Algorithmen zum HCMT-Ansatz sollen untersucht, entsprechende Software-Prototypen implementiert werden, als Basis für zukünftige angemessen genaue und effiziente, aber ebenso ausreichend allgemeine und komfortable Rechenwerkzeuge für praktisches Bauteildesign.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen

Beteiligte Person Professor Dr. Jens Förstner