Photonischer Kristall

Photonische Kristalle sind periodische Nanostrukturen deren Design speziell darauf abzielt die Bewegung von Photonen zu beeinflussen, ähnlich wie in der Halbleiterphysik wo Halbleiter die Bewegung von Elektronen beeinflussen. Photonische Kristalle kommen jedoch 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.

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Physikalischer 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 möglich, Licht auf Abmessungen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, zu führen. In physikalischer Ausdrucksweise sind es periodische dielektrische Strukturen, deren Periodenlänge so eingestellt wurde, 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

Daher setzt man große Hoffnung in die Nutzung ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften, 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

Es gibt viele Photonische Kristalle, die in der Natur vorkommen: Opal, Vogelfeder, Schmetterlinge, ...

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 00385646

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].
• Arbeitsgruppe von Prof Vos, University of Twente [3]
• Arbeitsgruppe von Prof. Martin Wegener, Universität Karlsruhe (TH) [4]

Photonische Kristalle in der Industrie

• Kommerziell erhältliches 3D-Laserlithographie-System der Nanoscribe GbR (Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie)