Durchstimmbare polymere Flüstergalerie-Resonatoren auf flexiblen Substraten

Optische Flüstergalerie-Mikroresonatoren, Strukturen mit einigen Mikrometern Ausdehnung, in denen Licht bestimmter Wellenlänge eingeschlossen werden kann, sind vielversprechende Kandidaten für eine Vielzahl photonischer Bauelemente.

Für viele Anwendungen von optischen Mikroresonatoren wie Filter oder Schalter ist eine Durchstimmbarkeit der Resonanzwellenlänge essentiell.

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt in unserer Arbeitsgruppe ist die Realisierung von durchstimmbaren photonischen Bauelementen durch die Ausnutzung der Flexibilität von Polymeren und Elastomeren. Erste Schlüsselexperimente wurden hierzu bereits durchgeführt.
Zur Umsetzung einer Modendurchstimmung über einen breiten Spektralbereich wurde ein neuer Flüstergalerie-Resonatortyp, der sogenannte Split-Disk Resonator entwickelt. Durch die Deformation eines flexiblen Elastomersubstrats kann der Spaltabstand zwischen den gegenüberliegenden Halbscheiben und so deren Resonanzwellenlänge variiert werden. Analog wurde die Elastomer-Plattform zur Realisierung photonischer Moleküle mit flexibel durchstimmbarer Kopplung verwendet.

In zukünftigen Experimenten liegt der Fokus auf der Herstellung und Charakterisierung größerer gekoppelter Resonatorfelder und hybrider (verstärkender/absorbierender) photonischer Moleküle.

Publikationen:

T. Siegle et al., "Split-disk micro-lasers: Tunable whispering gallery mode cavities", APL Photonics 2, 096103 (2017)

T. Siegle et al., "Photonic molecules with a tunable inter-cavity gap", Light Sci. Appl. 6, e16224 (2017)

 

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SEM-Aufnahmen eines Split-Disk Resonators (links) und eines photonischen Moleküls (rechts) auf flexiblen Substraten (T. Siegle et al., APL Photonics 2, 096103 (2017) & T. Siegle et al., Light Sci. Appl. 6, e16224 (2017))
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Durchstimmen der Resonanzwellenlängen eines Split-Disk Resonators (T. Siegle et al., APL Photonics 2, 096103 (2017))

Durchstimmbare Polymer-Photonik auf der Basis von Flüssigkristall-Elastomeren

Neben der Verwendung mechanisch deformierbarer Elastomersubstrate werden in unserer Forschungsgruppe auch die Eigenschaften flexibler Flüssigkristall-Elastomere zur Realisierung durchstimmbarer photonischer Bauelemente genutzt.

Flüssigkristall-Elastomere zeigen bei relativ geringer Temperaturerhöhung einen Phasenübergang aus einem Zustand einheitlicher molekularer Ausrichtung in eine isotrope Phase. Damit verknüpft ist eine kontrollierte und reversible Deformation des Materials. Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Anwendung in flexiblen photonischen Bauelementen.

Durch die Verwendung von Flüssigkristall-Elastomeren als Substratmaterial kann durch Temperaturänderung der Abstand zwischen verschiedenen Resonatoren präzise kontrolliert werden. Eine reversible Änderung dieses Abstands konnte mittels Variation der Temperatur realisiert und Kopplungseffekte zwischen mehreren Resonatoren nachgewiesen und charakterisiert werden.

Des Weiteren konnten in dieser Arbeitsgruppe Resonatoren vollständig aus Flüssigkristall-Elastomeren gefertigt werden. Dadurch kann das temperaturabhängige Verhalten dieses Materials genutzt werden, um die Resonanzwellenlänge der Resonatoren zu kontrollieren. Eine gezielte Veränderung der Resonanzwellenlänge über mehr als einen freien Spektralbereich konnte erfolgreich gezeigt werden.

Publikationen:

S. Woska et al., "Tunable photonic devices by 3D laser printing of liquid crystal elastomers", Opt. Mater. Express 10, 2928-2943 (2020)

 

Hybride plasmonisch-photonische Flüstergalerie-Resonatoren

Ein weiterer Schwerpunkt in der aktuellen Forschung im Bereich optischer Flüstergalerie-Resonatoren liegt darauf, die Stärke der Wechselwirkung von Licht und Materie zu erhöhen.  Eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung geht dabei einher mit hohen Gütefaktoren und kleinen Modenvolumina.

Während dielektrische Flüstergalerie-Resonatoren sehr hohe Gütefaktoren aufweisen, sind ihre Modenvolumina verglichen mit plasmonischen Nanostrukturen verhältnismäßig groß. Ein Ansatz zur Erhöhung der Licht Materie-Wechselwirkung besteht folglich darin, die hohen Q-Faktoren dielektrischer Resonatoren mit der Fähigkeit von plasmonischen Strukturen, Licht auf Subwellenlängen-Dimensionen zu konzentrieren, zu kombinieren. Die Vorteile beider „Welten“ wurden in dieser Arbeitsgruppe erfolgreich in Form eines mit Silber beschichteten Flüstergalerie-Resonators vereint. Neben rein photonischen Moden, welche weiter im Innern des Resonators lokalisiert sind, unterstützt dieser neu-entwickelte Resonatortyp auch Oberflächenplasmonen, welche an der Grenzfläche von Dielektrikum und Metall lokalisiert sind. Von besonderem Interesse für die meisten  Anwendungen sind die ebenfalls vom Resonator unterstützten Hybridmoden, welche aus der Hybridisierung von photonischen und plasmonischen Moden hervorgehen. Diese Moden vereinen die Vorteile der hohen Q-Faktoren der photonischen Moden mit den kleinen Modenvolumina plasmonischer Moden.

Publikationen:

C. Klusmann et al., "Hybridizing whispering gallery mode and plasmonic resonances in a photonic metadevice for biosensing applications", J. Opt. Soc. Am. 34, D46 - D55 (2017)

C. Klusmann et al., "Identification of Dielectric, Plasmonic, and Hybrid Modes in Metal-Coated Whispering-Gallery-Mode Resonators", ACS Photonics 5, 2365–2373 (2018)

 

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SEM-Aufnahme (links) und simulierte Feldverteilung (rechts) eines beschichteten hybriden Resonators (C. Klusmann et al., ACS Photonics 5, 2365–2373 (2018))
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Detektion dielektrischer, plasmonischer und hybrider Moden eines beschichteten Resonators (C. Klusmann et al., ACS Photonics 5, 2365–2373 (2018))