Ultrafast nonlinear effects in one-dimensional photonic crystals

Abstract

This thesis deals with the temporal dynamics of light interacting with a special class of nano-structures: so-called photonic crystals (PCs). The focus of these investigations is nonlinear phenomena on a sub-picosecond time scale. PCs are solid-state nano-structures with a spatially periodic dielectric function. They inflence propagating light in an analogous manner to that of electronic motion in a periodic lattice potential of a semiconductor or metal. These structures are said to be one-, two-, or three-dimensional, depending on their spatial periodicity. For this thesis, two different types of one-dimensional PCs have been studied: semiconductor multiple-quantum-well (MQW) Bragg structures, which are resonant PCs, and metal-dielectric PCs. For both material systems, the fundamental light-matter interaction processes, as well as potential applications, are discussed. The properties of MQW Bragg structures have been investigated by phaseresolved pulse propagation measurements. Several light-matter interaction regimes, ranging from linear excitation to high-intensity phenomena such as self-phase modulation, have been studied in great detail. It has been possible to make a clear distinction between the bulk properties and the inflence of the quantum wells. The results constitute a considerable contribution to the fundamental understanding of semiconductor nano-structures. The experiments performed on one-dimensional metal-dielectric PCs are pioneering work in that they have studied the temporal dynamics in such structures for the very first time. These structures are especially interesting for application in ultrafast optical devices. Several predictions about their transmission dynamics could be tested in the measurements presented here. Essentially, two effects on different time and magnitude scales where observed, and a significantly different behavior as compared to single nano-scale metal layers could be identified.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der zeitlichen Dynamik der Wechselwirkung von Licht mit einer speziellen Klasse von Nanostrukturen, den sogenannten photonischen Kristallen. Der Fokus dieser Untersuchungen liegt auf nichtlinearen Phänomenen auf einer Zeitskala unterhalb einer Pikosekunde. Photonische Kristalle sind Festkörper-Nanostrukturen mit einer räumlich periodischen dielektrischen Funktion. Sie beeinflussen die Propagation von Licht in einer analogen Weise, wie das periodische Gitterpotential eines Halbleiters oder Metalls auf die Bewegung von Elektronen wirkt. Diese Strukturen werden als ein-, zwei- bzw. dreidimensional bezeichnet, je nachdem in wie vielen Raumdimensionen eine Periodizität vorliegt. Für diese Arbeit wurden zwei verschiedene Typen von eindimensionalen photonischen Kristallen untersucht: Halbleiter-Mehrfach-Quantenfilm-Bragg-Strukturen, die zu den resonanten photonischen Kristallen gehören, und metall-dielektrische photonische Kristalle. Für beide Materialsysteme werden sowohl die fundamentalen Licht-Materie-Wechselwirkungen als auch mögliche Anwendungen diskutiert. Die Eigenschaften von Mehrfach-Quantenfilm-Bragg-Strukturen wurden mit Methoden der phasenaufgelösten Pulspropagation gemessen. Mehrere Licht-Materie- Wechselwirkungsregime von linearer Anregung bis zu Hochintensitätsphänomenen wie Selbstphasenmodulation wurden sehr detailliert analysiert. Dabei konnte eine klare Abgrenzung des Einflusses der Quantenfilme vom Einfluss des Volumenteils der Strukturen erreicht werden. Die Resultate stellen einen bedeutenden Beitrag zum fundamentalen Verständnis der Kopplung von Licht an Halbleiter-Nanostrukturen dar. Die Experimente, die im Rahmen dieser Arbeit an eindimensionalen, metalldielektrischen photonischen Kristallen durchgeführt wurden, sind als Pionierarbeit anzusehen, da sie sich zum ersten Mal mit der zeitlichen Dynamik solcher Strukturen beschäftigen. Diese Strukturen sind besonders interessant für Anwendungen im Bereich ultraschneller optischer Bauelemente. Mehrere Vorhersagen über deren Transmissionsdynamik konnten in den hier präsentierten Messungen überprüft werden. Im Wesentlichen wurden zwei Effekte auf verschiedenen Zeit und Größenskalen beobachtet und ein signifikant abweichendes Verhalten im Vergleich zu einzelnen, wenige Nanometer dünnen Metallschichten gezeigt.