Photonischer Kristall
Photonische Kristalle sind in prinzipiell transparenten Festkörpern vorkommende oder geschaffene periodische Strukturen, die u. a. durch Beugung und Interferenz die Bewegung von Photonen (in der Regel Licht oder Infrarot) beeinflussen. Photonische Kristalle sind nicht zwingend kristallin - ihr Name rührt von analogen Beugungs- und Reflexionseffekten von Röntgenstrahlung in Kristallen aufgrund deren Gitterkonstanten.
Die Strukturabmessungen sind gleich oder größer eines Viertels der zugehörigen Wellenlänge der Photonen, sie liegen also im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers bis mehrere Mikrometer.
Photonische Kristalle lassen sich von Interferenzschichten und Beugungsgittern dadurch abgrenzen, dass sie
- drei- oder auch eindimensional sein können
- unter Umständen steuerbar sein können
Photonische Kristalle kommen auch in der Natur vor. So entstehen zum Beispiel die schillernden Farben auf Schmetterlingsflügeln durch periodische Strukturen, wie sie auch bei photonischen Kristallen Verwendung finden.
Aufbau
Photonische Kristalle bestehen aus strukturierten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren und zwingen das Licht mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, sich in der für die Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten. Dadurch wird es nicht nur möglich, Licht auf Abmessungen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, zu führen, sondern auch zu filtern und wellenlängenselektiv zu reflektieren.
Es handelt sich um periodische dielektrische Strukturen, deren Periodenlänge so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise beeinflussen wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektronen. Sie zeigen daher einzigartige optische Eigenschaften, wie beispielsweise Bragg-Reflexion von sichtbarem Licht.
Insbesondere entsteht analog zur Ausbildung der elektronischen Bandstruktur eine photonische Bandstruktur, die Bereiche verbotener Energie, in denen sich elektromagnetische Wellen nicht innerhalb des Kristalls ausbreiten können (photonische Bandlücken, PBG = englisch: photonic bandgap). Photonische Kristalle können also in gewisser Weise als das optische Analogon zu elektronischen Halbleitern, also als „optische Halbleiter“ angesehen werden.
Anwendung
Angewendet werden photonische Kristalle insbesondere in der Telekommunikation. Man kann mit Hilfe von photonischen Kristallen beispielsweise Wellenleiter mit sehr kleinen Kurvenradien (im Mikrometerbereich) bei geringen Verlusten, effizientere Festkörperlaser, extrem schmalbandige optische Filter, Multiplexer und verschiedene andere neuartige optoelektronische Bauelemente realisieren.
Vorkommen in der Natur
Photonische Kristalle, die in der Natur vorkommen, sind unter anderem Opale, Vogelfedern, Schmetterlingsflügel.
Forschungsgeschichte u. Literatur
Photonische Kristalle wurden zuerst 1972 von Bykov beschrieben:
- V.P. Bykov: Spontaneous emission in a periodic structure. in: Soviet Physics JETP. American Institute of Physics, New York 35.1972, 269. ISSN 0038-5646
und Ende der 1980er Jahre unabhängig von E. Yablonovich und S. John mit ihren optischen Eigenschaften theoretisch berechnet:
- Eli Yablonovitch: Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. in: Physical Review Letters. New York 58.1987, 2059-2062. ISSN 0031-9007
- S. John: Strong Localisation of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices. in: Physical Review Letters. New York 58.1987, 2486-2489. ISSN 0031-9007
Seit dieser Zeit hat die Forschungsaktivität in diesem Bereich stetig zugenommen und photonische Kristalle sind zu einem aktiven Forschungsgebiet geworden an dem weltweit viele Arbeitsgruppen an Universitäten und Forschungseinrichtungen arbeiten.
Forschungsgruppen auf dem Gebiet der Photonischen Kristalle
- Arbeitsgruppe von Prof Yablonovitch's, UCLA School of Engineering and Applied Sciences [1].
- Arbeitsgruppe von Prof John, University of Toronto [2].
- Nanoscale and Quantum Photonics Lab der Stanford Universität unter Leitung von Jelena Vučković [3]
- Arbeitsgruppe von Prof Vos, University of Twente [4]
- Arbeitsgruppe von Prof. Martin Wegener, Universität Karlsruhe (TH) [5]
- Arbeitsgruppe von Prof. Oliver Benson, Humboldt Universität zu Berlin [6]
- Abteilung 3 "Photonik und neue Materialien" von Prof. Philip St. John Russell (Photonische-Kristall-Fasern), Max-Planck-Forschungsgruppe für Optik, Information und Photonik, Universität Erlangen-Nürnberg) [7]
Photonische Kristalle in der Industrie
- 3D-Laserlithographie-System der Nanoscribe GmbH (Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie)
- Bragg-Gitter, siehe u. a. DFB-Laser