Photonic Wannier Functions: Generation and...

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Institut für Theoretische Festkörperphysik Photonics Group photonics.tfp.uni-karlsruhe.de Photonic Wannier Functions: Generation and Usage Kurt Busch Institut für Theoretische Festkörperphysik and DFG-Center for Functional Nanostructures, KIT, Germany

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Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

photonics.tfp.uni-karlsruhe.de

Photonic Wannier Functions: Generation and Usage

Kurt Busch

Institut für Theoretische Festkörperphysik and

DFG-Center for Functional Nanostructures, KIT, Germany

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Dr. Sabine Essig

Dr. Regine Frank

Dr. Patrick Mack

Dr. Jens Niegemann

Richard Diehl

Jens Küchenmeister

Michael König

Paolo Longo

Christian Wolff

Thomas Zebrowski

Ferdinand Kaplan

Martin Köhl*

Timo Köllner

Benjamin Lutz

Christoph Martens

Matthias Moeferdt

Petru Tighineanu

Michael Walz

Acknowledgments

Prof. Dr. Ralf Wehrspohn (Fraunhofer Institute &

University Halle)

Prof. Dr. Martin Wegener (KIT)

Prof. Dr. Georg von Freymann (University of Kaiserslautern)

Prof. Dr. Stefan Linden (University of Bonn)

Prof. Dr. Wolfram Hergert (University of Halle)

Dr. Antonio Garcia-Martin (now @ IMM-CSIC, Madrid)

Dr. Matthias Schillinger (now @ D-Fine)

Dr. Daniel Hermann (now @ 1&1)

Christian Blum (now @ HU Berlin)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Motivation

Wannier Functions: Generation

Wannier Functions: Usage

Conclusions

Outline

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Motivation

Wannier Functions: Generation

Wannier Functions: Usage

Conclusions

Outline

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Motivation: Photonic Crystals

I. Staude et al., Opt. Lett. 35, 1094 (2010)

M. Deubel et al., Nature Materials 3, 444 (2004)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

I. Staude et al., Opt. Lett. 36, 67 (2011)

Motivation: Photonic Crystals

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Aequous HF

Wa

fer

cro

ss s

ectio

n

IlluminationDonator ion (e.g., P)

Hole

SCR

A. Birner et al., Adv. Mater. 13, 377 (2001)

Motivation: Photonic Crystals

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

P. W. Nolte et al., Adv. Mater. 22, 4731 (2010)

Motivation: Photonic Crystals

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Motivation: Photonic Crystals

Numerically Large Systems even for Simple Constituent Materials

Complex Materials: Multi-Component Systems, Optical Anistropy ….

Design / Optimization of Photonic-Crystal-based Circuitry

Novel Functionalities

Disorder

Photonic Wannier Function Approach

K. Busch et al., J. Phys.: Cond. Mater. 15, R1233 (2003)

K. Busch et al., J. Mod. Opt. 58, 365 (2011)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Motivation

Wannier Functions: Generation

Wannier Functions: Usage

Conclusions

Outline

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

·@x

1

²(r)@x + @y

1

²(r)@y ¡

!2

c2

¸H(r; !) = 0

Hnk(r+R) = exp(ikR)Hnk(r)

WnR(r) =

r1

VBZ

Z

BZ

d2k exp(¡ikR)Hnk(r)

Photonic Wannier Functions

²(r) = ²(r+R) 8R 2R

2D H-Polarization: Wave Equation

Ideal Photonic Crystal: Bloch Functions

Localized Basis: Wannier Functions

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Integration? Alright, but Where‘s the Band?

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Band 26

Wannier Functions: Naive Integration

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Band 26

Wannier Functions: “Correct“ Processing

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

WnR(r) =

r1

VBZ

Z

BZ

d2k exp(¡ikR)X

n0

Un0n(k)Hn0k(r)

Generalized Wannier Functions

Free Parameters (“Gauge Transformation“)

Un0n(k)

Minimize Spread Functional

­[fUnn0(k)g] =X

n

Zd2rW¤

nR(r)¡r ¡ hri2n

¢2W¤

nR(r)

hrin =X

n

Zd2rW¤

nR(r)rW¤nR(r)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

r = 0.45 a

Macroporous Silicon: Triangular Lattice

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Souza-Marzari-Vanderbilt Algorithm

N. Marzari, D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 56, 12847 (1997)

I. Souza et al., Phys. Rev. B 65, 035109 (2001)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Possible Wannier Function Symmetries for Various Wannier Centers

Wannier Function Symmetry from Bloch Function Symmetry („Band Symmetry“)

Grouping of Bands for Souza-Marzari-Vanderbilt: Selection Rules

E. Krüger, phys. stat. sol. (b) 52, 215 (1972)

E. Krüger, phys. stat. sol. (b) 52, 519 (1972)

Extended to Photonic Wannier Functions:

P. Mack, K. Busch, in preparation

Group-Theoretical Preprocessing

P. Mack, K. Busch, in preparation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Selection Rules: 2D Triangular Lattice, H-Polarization

P. Mack, K. Busch, in preparation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

3D Photonic Wannier Functions: Woodpile

Band 1

Band 3

Band 15

Band 25

K. Busch et al., J. Mod. Opt. 58, 365 (2011)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Band Structure Reconstruction from Wannier Functions

K. Busch et al., J. Mod. Opt. 58, 365 (2011)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Motivation

Wannier Functions: Generation

Wannier Functions: Usage

Conclusions

Outline

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

·@x

1

²(r)@x + @y

1

²(r)@y ¡

!2

c2

¸H(r; !) = 0

2D H-Polarization: Wave Equation

H(r; !) =X

n

X

R

CnRWnR(r)

The Master Equation

²(r) = ²per(r) + ±²(r)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

The Master Equation

µCnn0;RR0 +Dnn0;RR0 ¡ !2

c2Ann0;RR0

¶cn0R0 = snR

Ann0;RR0 = hWnRjWn0R0i

Cnn0;RR0 = hWnRj @x1

²per(R)@x + @y

1

²per(R)@y jWn0R0i

Dnn0;RR0 = hWnRj @x¡±²(r)

²(r)²per(r)@x + @y

¡±²(r)²(r)²per(r)

@yjWn0R0i

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Types of Defects and Reusability of Matrices

Dnn0;RR0 =X

Rdef

Bnn0;(R¡Rdef) (R0¡Rdef)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Types of Defects and Reusability of Matrices

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Convergence

P. Mack, K. Busch, in preparation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Convergence: Auxiliary Wannier Functions

P. Mack, K. Busch, in preparation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Convergence

Wannier Functions Auxiliary Wannier Functions

P. Mack, K. Busch, in preparation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Convergence

P. Mack, K. Busch, in preparation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Tunable Waveguides

K. Busch et al., J. Mod. Opt. 58, 365 (2011)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Tunable Splitter

K. Busch et al., J. Mod. Opt. 58, 365 (2011)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

D. Hermann et al., J. Opt. Soc. Am. B. 25, 202 (2008)

Photonic-Crystal Circuit Theory

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Photonic-Crystal Circuit Theory

D. Hermann et al., J. Opt. Soc. Am. B. 25, 202 (2008)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Green‘s Function in Wannier Representation

·@2x + @2y +

!2

c2²(r)

¸E(r; !) = 0

r = 0.18 a

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

G(r;rs;!) = ²per(rs)X

®;¯

W¤®(rs)G®¯(!)W¯(r)!)

G®¯(!) =X

m

Z

BZ

d2kUnm(k)U¤

n0m(k)

!2 ¡ !2mkexp (ik ¢ (R0 ¡R))

Green‘s Function in Wannier Representation

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Density of States and Local Density of States

K. Busch et al., J. Mod. Opt. 58, 365 (2011)

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Disorder: Cluster CPA

M. Köhl, C. Wolff, K. Busch, submitted

5% Silicon Rods in Square Array of ZnO rods

Institut für Theoretische Festkörperphysik – Photonics Group

Photonic Wannier Functions: Powerful Tool for Photonic Crystals

“Atomic Orbitals for Light”

Generation

Usage

Functional Elements

Photonic Crystal Circuit Theory

Disorder: Cluster CPA

Time-Domain Version

Conclusions

C. Blum, C. Wolff, K. Busch, Opt. Lett. 36, 307 (2011)