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Department of Physics
open chemistry
KVL / Klausuren / MAP 1st HS: 08.04  2nd HS: 27.05  sem.br.: 15.07  begin WS: 13.10

4020130073 Theory of Nonlinear Phenomena in Photonics  VVZ 

VL
Tue 9-12
weekly NEW 14 1'14 (21) Uwe Bandelow

Digital- & Präsenz-basierter Kurs

Aims
Es handelt sich um eine Theorievorlesung.
Ausbildungsziel ist die Vermittlung bewährter Konzepte zur Beschreibung von Effekten in photonischen Komponenten. Effektive Methoden zur Analyse nichtlinearer Effekte werden bereitgestellt und durch Anwendung in Übungseinheiten vertieft. Die Studenten sollen damit in die Lage versetzt werden, später in entsprechenden Projekten zur Modellierung und Simulation photonischer Komponenten mitarbeiten zu können.
Requirements
Abgeschlossenes Grundstudium.
Förderlich sind Kenntnisse der Maxwell-Bloch Gleichungen und Halbleiterphysik, aber nicht zwingend.
Structure / topics / contents
- Intrinsische Dynamik von Halbleiterlasern
- Konzepte aus der Theorie Dynamischer Systeme
- Dynamik durch externe Rückkopplung
- Nichtlinear optische Fasern
- Klassische Solitonen
- Inverse Streutheorie
- Dissipative Solitonen

In der Vorlesung werden nichtlineare Phänomene in photonischen Komponenten wie Halbleiterlasern und optischen Fasern im semiklassischen Rahmen theoretisch beschrieben und analysiert. Die Grundgleichungen sind nichtlinear, da sie die Einwirkung der Photonen auf Material beschreiben, welches seinerseits auf die Photonen zurückwirkt. Entsprechende nichtlineare Effekte werden auf Basis prominenter Modelle behandelt. Diese sind für die Halbleiterlaser zwischen Bilanz-, Lang-Kobayashi- und Traveling-Wave- Gleichungen angesiedelt, für die optischen Fasern basieren sie auf der nichtlinearen Schrödingergleichung nebst verschiedenen Erweiterungen.
Bei der Analyse der Halbleiterlaser spielt das Konzept der Modenentwicklung eine entscheidende Rolle. Nach einer Einführung werden in der Vor-lesung vor allem Effekte oberhalb der Laserschwelle behandelt. Diese setzen bei der Dynamik nahe Gleichgewichten an, wie Schwellenverhalten und Relaxationsoszillationen. Im Zusammenhang mit phasensensitiver Rückkopplung werden dann Bifurkationsszenarien entwickelt, die zu Effekten wie Bistabilität, Selbstpulsationen oder Erregbarkeit führen. Dynamische Szenarien wie Modenkopplung, aber auch Synchronisationseffekte, hervorgerufen durch externe elektrische oder optische Signale werden im Weiteren behandelt.
Der zweite Teil der Vorlesung widmet sich nichtlinear optischen Effekten in Fasern. Solche nichtlinear optische Effekte werden ebenfalls durch die Wechselwirkung Licht-Materie verursacht. Grundlegende Propagationsgleichungen und deren wichtigste Lösungen werden behandelt, insbesondere mit dem Konzept von Solitonen. Aus deren Dynamik ergeben sich vielfältige interessante und praktisch bedeutsame Effekte, wie z.B. die Generation von Superkontinua, Cherenkov-Strahlung und optische Monsterwellen, die aktueller Forschungsgegenstand sind. Eine theoretische Fundierung erfolgt durch eine Einführung in die inverse Streutheorie sowie in spezifische numerische Methoden.
Den Abschluß bildet ein Ausblick zur Musterbildung in gepumpten dissipativen Systemen und zu den dissipativen Solitonen (lokalisierte Strukturen in dissipativen Systemen), die in unterschiedlichsten Bereichen der Natur auftreten können.
Assigned modules
P23.4.2 P23.4
Amount, credit points; Exam / major course assessment
3 SWS, 5 SP/ECTS (Arbeitsanteil im Modul für diese Lehrveranstaltung, nicht verbindlich)
Laufende Bewertung in den Übungen
Contact
PD Dr. Uwe Bandelow, WIAS Berlin, Mohrenstrasse 39
Literature
J. Ohtsubo. Semiconductor Lasers: Stability, Instability and Chaos. Springer
P. Mandel. Nonlinear Optics - An Analytical Approach. Wiley-VCH
F. Mitschke. Fiber Optics. Springer
G. P. Agrawal. Nonlinear Fiber Optics. Academic Press
N Akhmediev and A. Ankiewicz. Solitons. Chapman & Hall
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