Fakultätsbericht 2016-2017 der Physikalisch-Astronomischen Fakultät

Forschung — 61 Modellierung der Ausbreitung optischer Felder in resonant angeregten Halbleitern Die numerische Modellierung der Ausbreitung elektromagne- tischer Wellen in nanophotoni- schen und plasmonischen Komponenten spielt am Lehr- stuhl eine wichtige Rolle. Wir simulieren z.B. die Führung von Licht in Wellenleitern, sei- ne Wechselwirkung mit photo- nischen Kristallen oder seine Konzentration in der Umge- bung metallischer Strukturen. Dazukommt eine Vielzahl nu- merischer Algorithmen, wie auf dem Finite Difference Time Domain (FDTD) Verfahren oder der Beam Propagation Method (BPM) beruhende Ausbrei- tungscodes oder unterschied- lichste Eigenmodenlöser in selbstgeschriebenen, aber auch kommerziellen Software- paketen zum Einsatz. Ziel ist neben der Überprüfung theore- tischer Voraussagen die enge Zusammenarbeit mit dem Ex- periment. Elektromagnetische Modellierung Nanophotonischer Strukturen Abb. 3. Simulation nanophotonischer Komponenten auf Metallschichten, a) Moden eines Halbleiternanodrahtlasers und b) ihre Abstrahlcharakteristik, c) Anregung eines photonischen Kristalls Aufgrund ihrer einfachen Herstellung, der hervor- ragenden optischen Eigenschaften und der ho- hen Kristallqualität stellen Halbleiter-Nanodrähte ideale nanooptische Bauelemente dar. Da sie wegen der hohen Reflektivität ihrer Endfacetten gute optische Resonatoren bilden und die ver- wendeten direkten Halbleiter eine erhebliche Ver- stärkung ermöglichen, kann man aus ihnen äu- ßerst effiziente kohärente Nanolichtquellen auf- bauen, die als Bindeglieder zwischen elektroni- schen und photonischen integrierten Systemen dienen können. In unserer Gruppe beschäftigen wir uns vor allem mit der Modellierung von Nanodrahtlasern aus ZnO- und CdS. Dazu wurden Halbleiter Maxwell- Bloch-Gleichungen mit unterschiedlichen opti- schen Ausbreitungscodes (z.B. Finite Difference Time Domain—FDTD) gekoppelt. Die Zusammen- arbeit mit verschiedenen experimentellen Grup- pen im Rahmen der DFG-Forschergruppe FOR1616 und die Überprüfung unserer Ergebnis- se im Experiment spielt dabei eine wichtige Rol- le. R. Buschlinger, M. Lorke, and U. Peschel, "Coupled-Mode Theory for Semiconductor Nanowires", Phys. Rev. Applied 7, 034028 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.034028 T. Michalsky, H. Franke, R. Buschlinger, U. Peschel, M. Grundmann, R. Schmidt-Grund, "Coexistence of strong and weak coupling in ZnO nanowire cavities", European Journal of Applied Physics 74, 30502 (2016) Abb. 2 Typische Halbleiternanodrähte und Profile der in ihnen nach optischer Anregung anschwingenden Lasermoden. Durch Variation des Drahtdurchmessers über der Länge kann Einmodigkeit auch bei dickeren Drähten erzwungen werden (R. Röder, T. P. H. Sidiropoulos, R. Buschlinger, M. Riediger, U. Peschel, R. F. Oulton, and C. Ronning, ”Mode Switching and Filtering in Nanowire Lasers,” Nano Lett. 16, pp 2878 –2884 (2016) ) .