Licht geht um die Ecke

News: Licht geht um die Ecke

Photonische Kristalle leiten Licht - fast wie Kabel den elektrischen Strom. Sie haben den Vorteil, dass sich ihre Eigenschaften sehr genau vorherbestimmen lassen. Von Nachteil ist jedoch, dass sie Licht nur über gerade Strecken leiten oder um kleine Winkel ablenken können. Ein Trick schafft nun Abhilfe: Einzelne Defekte im Kristall fangen Photonen ein und emittieren sie wieder senkrecht zur ursprünglichen Richtung. Das könnte erheblich kleinere optoelektronische Bauteile als bisher ermöglichen.

Bei photonischen Kristallen handelt es sich um künstlich erzeugte Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften: In diesen Materialien variiert die elektrische Polarisierbarkeit periodisch. Das klingt noch nicht besonders aufregend, hat aber folgenschwere Konsequenzen. Es entstehen Bandlücken, so genannte photonic band gaps (PGB). Sie verhindern, dass sich elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen durch den Kristall ausbreiten können. Andere Frequenzen hingegen lassen sich davon nicht beeindrucken. Für sie können Materialwissenschaftler aus einem photonischen Kristall einen Wellenleiter konstruieren. Dazu zerstören sie mit Defekten zerstören die Bandstruktur, sodass das Licht sich nicht mehr über diese Bereiche ausbreiten kann, sondern nur dort, wo der Kristall noch intakt ist. Durch gezieltes Platzieren solcher Störstellen muss Licht genau den Weg nehmen, den die Wissenschaftler vorgeben.

Viel Spielraum bleibt dabei allerdings nicht, weil der Lichtweg nur geringfügig von einer Geraden abweichen kann. Daher ist es selbst für die geschicktesten Ingenieure absolut unmöglich, beliebig kleine Bauteile herzustellen. Doch Susumu Noda, Alongkarn Chutinan und Masahiro Imada vom Department of Electronic Science and Engineering der Kyoto University wollten sich damit nicht abfinden. Um sich unnötige Präzisionsexperimente zu ersparen, untersuchten sie zunächst anhand einer Simulation eine Platte aus einem photonischen Kristall mit regelmäßig aufgereihten Löchern als Störstellen, von denen jedoch eine Reihe fehlte. Nur entlang dieser geraden Linie konnten die Photonen die Platte durchqueren. In die Nähe des Wellenleiters bohrten die Wissenschaftler ein einzelnes weiteres, kreisförmiges Loch. Dieses entpuppte sich als Resonator, fing also Photonen einer bestimmten Wellenlängen ein – in diesem Fall 1,539 Mikrometer. Etwa die Hälfte aller passenden Lichtteilchen erwischten die Forscher mit ihrer Falle. Dauerhaft Gefangene gab es allerdings nicht, denn anschließend emittierte der Kristall die Photonen senkrecht zur Oberfläche in die Luft (Nature vom 5. Oktober 2000). "Niemand hatte zuvor festgestellt, dass ein einzelner Defekt als Koppler zwischen der Ebene und der dazu senkrechten Richtung dienen kann", erläutert Noda. Bei normalen photonischen Kristallen ist das nämlich nicht möglich, weil die sie umgebende Luft völlig andere Brechungseigenschaften besitzt. Diese Unterschiede versperren den Photonen sonst den Weg von dem einen in das andere Medium.

Nach der viel versprechenden Simulation machten sich die Wissenschaftler an die praktische Arbeit und stellten einen realen photonischen Kristall aus Indium, Gallium, Arsen und Phosphor mit einer Dicke von 0,25 Mikrometer her. Durch Ätzen übertrugen sie das Defektmuster aus der Theorie auf diesen Kristall. Und siehe da: Auch in der Realitität erwiesen sich zusätzliche Defekte als Resonatoren, die sich sogar genau modulieren ließen. "Indem wir die Größe des Defekts ändern, können wir die Wellenlänge der gefangenen und wieder ausgesendeten Photonen ganz leicht einstellen", sagt Noda.

"Unsere Resultate stellen auch einen neuen Weg zur Verfügung, ultrakleine optische Geräte zu entwickeln", ordnen Noda und seine Kollegen ihr Experiment ein. Die Entwicklung könnte wegen ihrer Flexibilität, Effizienz und der sehr geringen Ausmaße enorme Auswirkungen auf Netzwerke globaler Kommunikation mit sich bringen.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 12.10.1998
"Photonische Kristalle"
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