Project

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Topological Active Photonic Material

English title Topological Active Photonic Material
Applicant Moselund Kirsten
Number 188173
Funding scheme South Korea
Research institution IBM Research GmbH
Institution of higher education Companies/ Private Industry - FP
Main discipline Microelectronics. Optoelectronics
Start/End 01.03.2020 - 29.02.2024
Approved amount 344'890.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Microelectronics. Optoelectronics
Condensed Matter Physics

Keywords (4)

III-V on silicon integration; nanophotonics; Topological photonics; metamaterials

Lay Summary (German)

Lead
Kirsten Moselund, IBM Research Zurich
Lay summary
Topologisch Aktives Optisches Materialien

Topologische Systeme sind sehr interessant für Anwendungen in Quanten-Rechner, weil sie robuste Systeme darstellen und deshalb lange Kohärenzzeiten aufweisen. Toplogisch geschützter Transport von Information kann in elektronischen sowie photonische Systemen stattfinden. Der Vorteil von topologischen Konzepten in der Photonik gegenüber elektronischen Systemen ist, dass die topologische Funktionalität alleine durch das Design-Layout von bereits bekannten Materialien erreicht werden kann, und exotische Materialien mit komplexen Transporteigenschaften nicht erst entwickelt werden müssen.

In den vergangenen 2-3 Jahren wurde topologische Transport in verschiedenen Materialsystemen demonstriert. In Silizium wurde mit Hilfe von geätzten Strukturen photonische Kristallgitter hergestellt, welche polarisiertes Licht präzise steuern konnte. Diese Materialien werden auch als Meta-Materialien bezeichnet, da die optischen Eigenschaften grösstenteils durch die Nanostrukturierung gegeben ist.

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Bis jetzt wurden topologische Metamaterialen entweder in einem optisch passiven Material wie Silizium hergestellt oder sie bestanden ganz aus einem aktiven Material, wie zum Beispiel GaAs. Es wäre enorm vorteilhaft, wenn die Funktionalität der beiden Materialklassen kombiniert werden könnte, was bis anhin nicht möglich war. Ein auf Silizium basiertes topologisches Metamaterial mit eingebetteten aktiven Photon Emitter und Detektoren aus III-V Material würde neue Anwendungen ermöglichen.  Die Herstellung einer kombinierten aktiv-passiver Plattform könnte jedoch mittels einer spezialisierten Technologie, welche von IBM entwickelt wurde (TASE, Template-Assisted Selective Epitaxy) herstellbar sein.

In diesem Projekt wird zuerst das Designlayout des photonischen Metamateriales von Hanbat University berechnet, und anschliessend in Silizium implementiert und getestet. In der zweiten Phase wird bei IBM optisch aktives III-V Material in die Siliziumstruktur epitaktisch integriert mit dem Ziel optische gepumpte Emission direkt in die topologische Phase zu ermöglichen.

Direct link to Lay Summary Last update: 15.10.2019

Responsible applicant and co-applicants

Gesuchsteller/innen Ausland

Employees

Publications

Publication
In-Plane Monolithic Integration of Scaled III-V Photonic Devices
ScherrerMarkus (2021), In-Plane Monolithic Integration of Scaled III-V Photonic Devices, in Applied Sciences, 11(4), 1887.

Datasets

Data for publication: In-Plane Monolithic Integration of Scaled III-V Photonic Devices

Author Scherrer, Markus
Publication date 21.02.2021
Persistent Identifier (PID) DOI
Repository In-Plane Monolithic Integration of Scaled III-V Photonic Devices
Abstract
All data relating to the publication in applied sciences of the same name.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
IEDM 2021 Talk given at a conference Focus session - Topological Materials, Devices, and Systems 15.12.2021 San Francosco Hilton, United States of America Moselund Kirsten;
MikroSystemTechnik Kongress 2021 Talk given at a conference Monolithic integration of in-plane hybrid III-V/Si photonic devices 08.11.2021 Stuttgart, Germany Scherrer Markus; Moselund Kirsten;
SPIE Optics and Photonics 2021 Talk given at a conference Topological lasing from embedded III-V 1D photonic crystal lattices in the telecom O-band 01.08.2021 Virtual participation, hybrid conference, United States of America Moselund Kirsten; Scherrer Markus;
2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference Talk given at a conference Robustness of the topological interface state in a 1D photonic crystal resonator with an air-gap 21.06.2021 Virtual conference, Germany Moselund Kirsten; Scherrer Markus;
CLEO Europe Talk given at a conference Embedded InP-on-Si 1D photonic crystal emitting in the topological mode 20.06.2021 Virtual conference, Germany Moselund Kirsten; Scherrer Markus;


Abstract

The present project aims to develop novel topological photonic metamaterials with embedded active devices such as photon emitters and detectors. Embedded and locally distributed active devices may be able to generate and to detect quantum states of photon streams inside the topological material, which might provide a potential photonic quantum computational platform. We plan to develop topological active photonic materials by locally integrating III-V active gain material clusters inside a passive dielectric silicon-based lattice. Because the possible strong coupling nature between closely adjacent local photon emitters or detectors, we would like to explore the formation of entangled states between polaritons like Forster or Dicke exchange mechanism and explore interferometric detection of quantum states embedded in a single topological artificial structure. We would also like to address potentially higher or synthetic dimensional topological phases of photonic material in order to implement entangled photonic active devices mimicking three dimensional atomic or ionic lattices. Eventually, we would like to explore the feasibility of lasing from local photonic emitters unlike lasing from external sources. We currently have the technology of fabricating nm-precision local embedding of III-V materials by the template-assisted selective-epitaxy developed at IBM research. We also have experience in the development of plasmonic active devices or metasurfaces for the ultrathin optical platform at Hanbat National University. Therefore, our collaborative activities will provide synergetic outcomes from both theoretical foundation and practical engineering to enable the most appropriate topological active photonic metamaterials. This project will be built upon an existing collaboration among the two groups and expand it further through the joint supervision of junior researchers.
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