Photonische Kristalle: Gitter, die das Licht fangen

Photonischer Kristall aus makroporösem Silizium

Bildbeschreibung:
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines photonischen Kristalls aus makroporösem Silizium.  Elektromagnetische Wellen in einem Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 Mikrometer können sich senkrecht zu den Poren nicht ausbreiten. Derzeit arbeitet man an der nächsten Generation solcher Kristalle, in denen die Lichtausbreitung bei dem für die Telekommunikation besonders wichtigen Wellenlängenbereich um 1,55 Mikrometer unterdrückt wird. (U. Gösele, MPI für Mikrostukturphysik, Halle; Infineon Technologies).

Ein Beispiel dafür sind photonische Kristalle, neuartige Materialen, deren Brechungsindex räumlich periodisch auf der Skala der Lichtwellenlänge variiert. Das Licht wird an dieser periodischen Struktur vielfach gestreut. Dies führt dazu, dass sich Licht bestimmter Wellenlängen nicht im photonischen Kristall ausbreiten kann. Diese Wellenlängen sind gewissermaßen verboten. Ein ähnliches Verhalten zeigen auch elektronische Wellen in einem Halbleiterkristall. Erst seit kurzem ist man in der Lage, Materialien dreidimensional so fein zu strukturieren, wie es zur Herstellung von photonischen Kristallen für sichtbares Licht erforderlich ist.

Photonische Kristalle kann man unter anderem als miniaturisierte Spiegel einsetzen: Sie reflektieren elektromagnetischen Wellen der "verbotenen" Wellenlängen vollständig. So lässt sich die gerichtete Abstrahlung von Miniaturantennen verbessern, wenn man sie auf photonische Kristalle montiert. Ähnlich den Halbleitern kann man photonische Kristalle gezielt mit Störstellen oder Defekten versehen. Beispielsweise führt eine einzelne Fehlstelle in einem ansonsten ideal geordneten photonischen Kristall dazu, dass Licht einer "verbotenen" Wellenlänge an der Störstelle gefangen wird. Man erhält auf diese Weise einen Mikroresonator, der von der optischen Außenwelt isoliert ist (s. Abb. 2). Durch Verkettung von solchen Punktdefekten ermöglicht man es dem Licht bestimmter Wellenlängen, sich entlang der Defekte auszubreiten: Der photonische Kristall wird zum Wellenleiter. Ein linienförmiger Defekt zwingt die Welle, in ihrer Bahn der Linienführung des Defektes zu folgen, selbst um scharfe Kanten herum. Diese Eigenschaft ist für die Optoelektronik von außerordentlichem Interesse. Denn bislang wird die Größe der optoelektronisch integrierten Schaltungen vor allem durch die Lichtwellenleiter auf dem Chip bestimmt, welche die einzelnen Elemente wie Dioden, Laser oder Polarisatoren verbinden. Gelingt es, die Lichtführung und die anderen optischen Elementen mit Hilfe photonischer Kristalle auf einem Chip zu integrieren, so würde dies eine "Lichtelektronik" oder Photonik von bisher nicht gekannter Perfektion ermöglichen.

Linienartige Defektstruktur in makroporösem Silizium

Bildbeschreibung:
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer linienartiger Defektstruktur in makroporösem Silizium. Durch Kombination von Punktdefekten lassen sich Funktionselemente wie z. B. der hier dargestellte Resonator verwirklichen (U. Gösele, MPI für Mikrostukturphysik, Halle; Infineon Technologies).

Photonische Kristalle ermöglichen es, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes beträchtlich zu verringern. Dadurch nimmt die Zeit zu, während der eine in den Kristall eingebrachte Substanz auf das Licht einwirken kann. Auf diese Weise erfahren viele Effekte der nichtlinearen Optik sowie der Quantenoptik eine bisher unvorstellbare Verstärkung. Zum Beispiel könnte mit großer Effizienz aus langwelliger elektromagnetischer Strahlung kurzwellige erzeugt werden, so dass in einigen, mit konventionellen Methoden nur schwer zugänglichen Wellenlängenbereichen neuartige Lichtquellen zur Verfügung stünden.

Eine der Hauptaufgaben künftiger Forschung ist daher die Entwicklung neuer, einfach herzustellender photonischer Kristalle. Von besonderem Interesse ist dabei die Verwendung von optisch anisotropen Materialien wie Flüssigkristallen, deren optische Eigenschaften richtungsabhängig sind. Füllt man zum Beispiel die periodisch angeordneten Hohlräume eines invertierten Opals aus Siliziums, der gewissermaßen das Negativ eines Opals ist, etwa zur Hälfte mit einem nematischen Flüssigkristall, so erhält man einen photonischen Kristall, dessen "verbotene" Lichtwellenlänge sich durch elektrische Felder verändern lässt. Ein weiteres Beispiele sind photonische Kristalle, in die man mit Hilfe von Ionenimplantation Leuchtzentren einbringt oder in die man Polymere infiltriert. Die Erforschung dieser zusammengesetzten Materialien steht noch ganz am Anfang.

Dabei machen interdisziplinäre Aspekte einen wesentlichen Gesichtspunkt der Forschungsanstrengungen aus: Durch die Theorie bestärkt, haben die Materialwissenschaftler erst kürzlich die ersten photonischen Kristalle für den optischen Wellenlängenbereich herstellen können. Die Untersuchungen dieser Kristalle mit den Methoden der modernen optischen Spektroskopie bestätigen eindrucksvoll die aus der Optik, Festkörperphysik und Elektrotechnik stammenden Berechnungsmethoden. Die enorme Bedeutung photonischer Kristalle sowohl für neuartige technologische Anwendungen als auch für die Grundlagenforschung lässt sich an den Aufwendungen zahlreicher Unternehmen und verschiedener staatlicher Organisationen z. B. in den USA, in Kanada und in Japan ablesen.