Heute, am 6. Juli 2026, haben drei Arbeitsgruppen des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) sowie des Departments Physik der Universität Paderborn signifikante Fortschritte in der modernen Photonik erzielt. Die Entwicklungen, die im Rahmen zweier Veröffentlichungen vorgestellt wurden, fokussieren sich auf die Manipulation von Licht durch gezielte Strukturierung und Kopplung auf der Nanoskala. Diese innovativen Arbeiten steppen an der Schnittstelle zwischen klassischer Optik und topologischer Physik.

Die erste Publikation, die in „ACS Photonics“ veröffentlicht wurde, ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen „Ultraschnelle Nanophotonik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Zentgraf und „Theorie funktionaler photonischer Strukturen“ von Prof. Dr. Stefan Schumacher. In dieser Studie untersuchen die promovierenden Helene Wetter und Jan Wingenbach eine sinusoidal modulierte Silizium-Metasurface. Dabei nutzen sie Nahfeldkopplungen, um ungewöhnliche Polarisationszustände zu erzeugen. Ein wesentlicher Bestandteil der Ergebnisse ist der Nachweis von linear und zirkular polarisierten Lichtzuständen, die von einem gemeinsamen Dirac-Punkt ausgehen. Diese Entdeckung könnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung winkelabhängiger Polarisationsfilter eröffnen und gibt darüber hinaus Einblicke in die Präzision und Grenzen der Nanofabrikation solcher Strukturen.

Fortschritte in der Resonatorforschung

Die zweite Publikation, die als Coverstory in „ACS Photonics“ präsentiert wird, dreht sich um nicht-Hermitesche optische Resonatoren. Hierbei arbeiten das Team um Prof. Schumacher und Mitglieder der Arbeitsgruppe „Theoretische Quantensysteme“, die von Prof. Dr. Jan Sperling geleitet wird, zusammen mit Wissenschaftlern der University of Arizona. Ihre Untersuchung zeigt den Nachweis von exzeptionellen Ringen (ERs), die durch Modenverschmelzung und spezielle topologische Eigenschaften charakterisiert sind. Diese Ringe entstehen durch zirkularen Dichroismus und TE–TM-Splitting in planaren optischen Resonatoren.

Ein weiterer Aspekt der Forschung befasst sich mit dem Verhalten dieser Singularitäten in nichtlinearen Systemen. Die Demonstration, dass eine Kerr-Nichtlinearität einen einzelnen Ring in eine geschlossene Oberfläche aus Ringen aufspaltet, zeigt, dass topologische Lichtzustände eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Dies stellt eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung neuer optischer Sensoren und fortschrittlicher Signalverarbeitung dar.

Entwicklung des Faser-Ring-Resonators

Zusätzlich zu den Fortschritten in der Lichtmanipulation wird die Entwicklung eines Faser-Ring-Resonators (FRR) als ein weiteres bedeutendes Ergebnis präsentiert. Dieses neuartige Design dient als ultra-narrowband, hoch-extinktionsfähiger und verlustarmer, einstellbarer optischer Filter. Die Verwendung kommerzieller variabler Verhältnis-Richtkoppler erlaubt die präzise Anpassung der Filterbandbreite und der Resonanzübertragung, womit mehrfach Betriebsmodi, einschließlich gleichzeitiger Bandstop- und Bandpassfilter, ermöglicht werden.

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Charakterisierungen des FRR zeigen eine beeindruckende Bandbreite von weniger als 2222 MHz und eine Extinktion von über 20dB. Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Filtern, die typischerweise nur einige Nanometer erreichen, bieten diese Filter auf dem FRR eine hohe spektrale Auflösung. Die experimentelle Anordnung umfasst einen Faserstrecker zur Abstimmung der Resonanzfrequenz und einen Polarisationsregler zur Anpassung der Frequenztrennung zwischen den orthogonal polarisierten Resonatoreigenmoden.

Die Messergebnisse belegen eine Transmission von (0.9±0.1)% im Busport und (99.0±0.1)% zwischen zwei Resonanzen, während die Extinktion bei kritischer Kopplung (20.5±0.7) dB beträgt. Die passive Stabilität des FRR zeigt eine maximale Frequenzdrift von etwa 1.2 MHz/min und eröffnet zahlreiche Anwendungsgebiete, die von Quantenoptik über Laserstabilisierung bis hin zu spektraler Rauschunterdrückung, Polarimetrie und Temperatur- oder Dehnungsmessung reichen. Diese Entwicklungen wurden durch die Alexander von Humboldt-Stiftung sowie die Europäische Kommission im Rahmen des Projekts DAALI finanziert.