Defekte photonische Kristalle in 3-D

Erstmals wurden 3-dimensionale photonische Kristalle mit maßgeschneiderten Defekten hergestellt. Das Ziel sind integrierte optische Schaltkreise.

Photonische Kristalle sind periodisch aufgebaute Nanostrukturen, die auf Lichtwellen in ähnlicher Weise wirken wie Halbleiterkristalle auf Elektronenwellen. Da die Dielektrizitätskonstante eines photonischen Kristalls periodisch moduliert ist, kann sich das Licht für bestimmte Wellenlängenbereiche oder Bänder im Kristall ausbreiten, für andere jedoch nicht. Fällt die Lichtwellenlänge in solch eine Bandlücke, dann lässt der Kristall das Licht nicht passieren und es kann sich in ihm nicht ausbreiten. Photonische Kristalle sind das Ausgangsmaterial für integrierte optische Schaltkreise, die mit Photonen statt Elektronen arbeiten werden.

Ein Halbleiterkristall gewinnt Funktionalität, wenn er strukturiert oder gezielt mit Defekten versehen wird. Solche Defekte, die den periodischen Aufbau eines Kristalls stören und seine Bandstruktur verändern, baut man schon seit einiger Zeit in zweidimensionale photonische Kristalle ein. Diese Kristalle sind z. B. winzige Blöcke aus Silizium, in die ein regelmäßiges Muster von zylindrischen Löchern geätzt wurde. An einigen Stellen hat man den Ätzprozess ausgesetzt und damit eine Störstelle im Lochmuster erzeugt. Was bislang nur in zwei Dimensionen möglich war, ist jetzt Forschergruppen in den USA und in Japan erstmal auch für dreidimensionale photonische Kristalle gelungen.

John Joannopoulos und seine Kollegen vom MIT haben mit Raster-Elektronenstrahl-Lithographie einen dreidimensionalen photonischen Kristall aus Silizium hergestellt. Der Kristall bestand aus regelmäßig durchlöcherten Siliziumschichten, die durch winzige Siliziumsäulen miteinander verbunden waren. Die von Schicht zu Schicht gegeneinander versetzten Säulen hatten einen Abstand von 564 nm. Waren die Löcher in den Schichten kreisförmig, so besaß der photonische Kristall eine Bandlücke bei der Wellenlänge 1,3 μm mit einer Breite von 21 % bezogen auf diese Wellenlänge. Für hexagonale Löcher hatte die Bandlücke sogar eine Breite von 25 %.

Fast perfekt: Ein dreidimensionaler photonischer Kristall aus Silizium. (Quelle: MIT)

In diese Struktur bauten die Forscher Defekte ein, indem sie in die Siliziumschichten an einigen Stellen keine Löcher hineinätzten. Wenn nur etwa jedes siebte Loch ausfiel, dann wies der „defekte“ photonische Kristall nach wie vor eine Bandlücke auf. Als die Forscher die optischen Eigenschaften des Kristalls genauer untersuchten, bemerkten sie, dass sich der Kristall mit Licht bestimmter Wellenlängen anregen ließ, obwohl sie in seiner Bandlücke lagen. Dabei traten im Kristall Lichtwellen auf, die an jeweils einer Störstelle lokalisiert waren. Die experimentellen Resultate stimmten gut mit den Berechnungen der optischen Eigenschaften des gestörten Kristalls überein. Kleine Abweichungen führen die Forscher darauf zurück, dass man mit den derzeitigen Methoden der Nanotechnologie noch keine perfekten dreidimensionalen photonischen Kristalle herstellen kann.

Susumu Noda und seine Mitarbeiter an der Universität Kyoto sind noch einen Schritt weiter gegangen. Ihr dreidimensionaler photonischer Kristall enthielt außer Störstellen auch eine lichtemittierende Substanz. Der Kristall bestand aus Schichten von parallelen Galliumarsenidstäben, die einen Abstand von 700 nm hatten. Die Schichten wurden so aufeinander gestapelt, dass die Stäbe über Kreuz aufeinander lagen. In der Mitte dieses „Holzstapels“ war eine Galliumarsenidlage durch eine Lage aus InGaAsP-Stäben ersetzt worden. Diese Stäbe ließen sich normalerweise mit kurzwelligem Laserlicht zu langwelligem Leuchten anregen. Doch wenn die InGaAsP-Stäbe im photonischen Kristall eingebettet waren, dann wurde ihr Leuchten stark unterdrückt, weil dessen Wellenlänge in der Bandlücke des Kristalls lag.

Um der InGaAsP-Lage dennoch das Leuchten zu ermöglichen, bauten die japanischen Forscher Defekte in diese Lage ein. Die Defekte waren so dimensioniert, dass sich an ihnen Lichtwellen lokalisieren konnten, die dieselbe Wellenlänge hatten, wie das Leuchten der Stäbe. Wurden die InGaAsP-Stäbe mit Laserlicht angeregt, dann gaben sie ihre Strahlung an die Störstellen ab, wo sie zunächst lokalisiert war. Da der photonische Kristall aber nicht unendlich groß war und nur aus neun Lagen bestand, konnte ein Teil der lokalisierten Lichtwellen schließlich entweichen. Der mit den richtig bemessenen Defekten versehene photonische Kristall gab daraufhin Licht ab, dessen Wellenlänge in der Bandlücke des Kristalls lag.

Die beeindruckenden Ergebnisse der beiden Forschergruppen zeigen, dass man inzwischen fast perfekte dreidimensionale photonische Kristalle herstellen und mit maßgeschneiderten Eigenschaften versehen kann. Integrierte optische Schaltkreise könnten also schon bald Wirklichkeit werden.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Minghao Qi et al., A three-dimensional optical photonic crystal with designed point defects, Nature 429, 538 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02575
• Shinpei Ogawa et al., Control of Light Emission by 3D Photonic Crystals. Science Express Reports.
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1097968
• Kontakt:
  Minghao Qi, E-Mail: mqi@alum.mit.edu
  Susumu Noda, E-Mail: snoda@kuee.kyoto-u.ac.jp
• John Joannopoulos Gruppe am MIT:
  http://ab-initio.mit.edu/photons/index.html
• Susumu Nodas Quantum Electronics Laboratory:
  http://www.kuee.kyoto-u.ac.jp/~lab05/index_e.html
• Photonic Band Gap Links:
  http://www.pbglink.com/
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Photonische Kristalle finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Photonische Kristalle.

Weitere Literatur:

• Susumu Noda, Teaching Light New Tricks, spie's oemagazine Oct. 2001, p. 28:
  http://oemagazine.com/fromTheMagazine/oct01/pdf/teachinglight.pdf