Photonischer Kristall manipuliert Lichtteilchen auch an der Oberfläche

Neue Nanostruktur auf Galliumarsenid-Basis kann den Weg zu extrem leistungsfähigen Photonik-Chips ebnen.

Kyoto (Japan) – Photonische Kristalle gelten als viel versprechende Bauteile für rasante Lichtchips in der Zukunft. Mit ihnen sollen digitale Daten nicht mehr über Elektronen, sondern viel schneller mit Lichtteilchen verarbeitet werden. Durch die streng periodisch aufgebauten Nanostrukturen lassen sich bisher Lichtpulse innerhalb eines photonischen Kristall kontrolliert manipulieren. Japanischen Wissenschaftlern gelang aber nun das Kunststück, Lichtpulse auch an der Oberfläche der filigranen Strukturen zu beeinflussen.

"Unser dreidimensionaler, photonischer Kristall, mit dem sich Licht bereits an der Oberfläche manipulieren und kontrollieren lässt, begründet einen neuen, vielfältigen Weg für die Photomanipulation", berichten Kenji Ishizaki und Susumu Noda von der Universität Kyoto. Mit lithographischen Methoden konstruierten sie auf der Basis von Galliumarsenid eine hochsymmetrische Nanostruktur, die an einen geordneten Stapel aus Holzbalken erinnert. Dieser photonische Kristall aus dielektrischen Nanobalken wies im Unterschied zu bisherigen Labormustern nicht nur in seinem Inneren eine so genannte photonische Bandlücke (PBG) auf. Durch einen symmetrischen Aufbau an der Oberfläche realisierten die Forscher auch an der Grenzschicht eine zweidimensionale, photonische Bandlücke, über die sich das Verhalten von Lichtpulsen kontrollieren ließ.

Ziel dieser Forschung ist es analog zu elektronischen Transistoren oder Dioden, entsprechende Schaltmodule für Lichtteilchen aufzubauen. Mit ihrem photonischen Kristall konnten Ishizaki und Noda nun das unkontrollierte Austreten von Lichtsignalen aus dem Inneren der Nanostruktur verhindern. Kurze Laserpulse im Infrarotbereich konnten sogar für bis zu 9.000 optische Zyklen an die Oberfläche gebunden werden, bevor sie sich in den umgebenden, freien Raum verflüchtigten. Eine möglichst lange Bindung der Lichtsignale an den photonischen Kristall ist eine zentrale Voraussetzung für die Manipulation und Kontrolle der optischen Signale.

"Diese Kristalle bieten die Möglichkeit, Licht durch Schaltbahnen in einem optischen Mikrochip ohne Energieverluste durch Streueffekte zu lenken", beurteilt Sajeev John von der University of Toronto die Ergebnisse seiner japanischen Kollegen. Er sieht sogar eine Basis, diese neuen photonischen Kristalle mit kleinen Defekten, den Quantenpunkten, zu kombinieren. Die Quantenpunkte könnten als steuerbare Quellen für kurze Lichtpulse dienen, die darauf sowohl innerhalb als auch auf der Oberfläche des photonischen Kristalls für Schaltprozesse genutzt werden sollen.

In den vergangenen Jahren konnten bereits zahlreiche Fortschritte auf dem Gebiet der Nanophotonik verzeichnet werden. Die Palette reicht von photonischen Kristallen für Lichtpulse verschiedener Wellenwellen über Quantenpunkte, die einzelne Photonen aussenden und detektieren können, bis hin zu optischer Resonatoren, die einzelne Lichtteilchen wie eine Drehtür stoppen oder passieren lassen. Dennoch werden noch viele Jahre vergehen, bis es erste Prototypen von Lichtprozessoren mit ihren ausgereiften, elektronischen Vorläufern aufnehmen können.

Jan Oliver Löfken

• Sajeev John: Photonics: Light control at will. Nature, 460, 337 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/460337a
   
• Kyoto University, Japan:
  http://www.ee.t.kyoto-u.ac.jp/en/

• Arbeitsgruppe Noda:
  http://www.kuee.kyoto-u.ac.jp/~lab05/index_e.html 

Weiterführende Literatur:

• J. Bauer, S. John: Broadband optical coupling between microstructured fibers and photonic band gap circuits: Two-dimensional paradigms. Phys. Rev. A 77, 013819 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.77.013819

• A. Chutinan, S. John: 3 + 1 dimensional integrated optics with localized light in a photonic band gap. Optics Express 14, 1266–1279 (2006)
http://dx.doi.org/10.1364/OE.14.001266

• D. Vujic, S. John: Coherent all-optical switching by resonant quantum-dot distributions in photonic band-gap waveguides. Phys. Rev. A 76, 063814 (2007) http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.76.063814 

 KP