Photonische Kristalle Clemens Ringpfeil

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Gerd Hinrich Pfaff
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1 Photonische Kristalle Clemens Ringpfeil

2 Inhalt Einführung Grundlagen Historischer Überblick Herstellung Anwendungen

3 Passive Wellenleiter Optische Bauelemente können nur sehr beschränkt auf einem Chip integriert werden. Die zur Verbindung aktiver Bauelemente benötigten passiven Wellenleiterstrukturen verursachen starke Verluste. Krümmungsradien > 100 µm " Geringe Packungsdichte ; Nur ca. eine Funktion pro mm 2

4 Licht als Informationsträger Photonen können sich in einem dielektrischen Material sehr viel schneller bewegen, als Elektronen in einem Metall. Höhere Übertragungsfrequenzen Größere Bandbreite Geringerer Energieverlust

5 Eine neue Materialklasse Bei Photonischen Kristallen handelt es sich um eine neue Materialklasse, deren Mitglieder sich durch einen räumlich periodisch variierenden Brechungsindex auszeichnen. Mehrfachstreuungen an dielektrischen Atomen " Photonische Bandstruktur ; Kann eine photonische Bandlücke aufweisen " Halbleiter für Licht

6 Natürliches Vorbild Die australische Seemaus ist eines der natürlichen Vorbilder für Photonische Kristalle. Die prächtige Coloration ihrer Stacheln beruht nicht auf Pigmenten. Jeder Stachel stellt einen zweidimensionalen Photonischen Kristall dar.

7 Grundlagen Je nachdem in wieviele Richtungen sich die dielektrische Periodizität erstreckt, sprechen wir von ein-, zwei- oder dreidimensionalen Photonischen Kristallen.

8 Grundlagen Zur Berechnung photonischer Bandstrukturen greifen wir auf Methoden zur Berechnung elektronischer Bandstrukturen zurück. Skalares Wellenfeld Vektorfeld Energieunabhängiges Potential Energieabhängiges Potential

9 Grundlagen Unter Verwendung der Maxwell Gleichungen bekommen wir in H und E vollständig entkoppelte Differentialgleichungen, die im reziproken Gitter bsonders einfach numerisch zu lösen sind.

10 Grundlagen Übergang zum reziproken Gitter für eine 2D hexagonale Anordnung. Hervorgehoben sind der irreduzible Teil der 1. Brillouin-Zone samt der Hochsymmetriepunkte Γ, M, K.

11 Grundlagen " Die Eigenmoden werden durch die Kristallimpulse k, die in der 1. BZ liegen, numeriert. " Für jeden Kristallimpuls werden wiederum die Eigenfrequenzen mit einem Bandindex n durchnumeriert. " Die photonische Zustandsdichte bei gegebener Frequenz ω berechnet sich durch:

12 Grundlagen

13 Historischer Überblick ; 1987: Erstmalig erschienen nähere theoretische Betrachtungen zu Photonischen Kristallen durch Eli Yablonovitch und Sajeev John. ; Anschließend: Erfolglose Anstrengungen einen Photonischen Kristall im Mikrowellenbereich mit einer einatomigen fcc-struktur herzustellen. ; 1990: Theoretiker der Iowa State University fanden eine vollständige Bandlücke für eine Anordnung photonischer Atome gemäß der Diamantstruktur (fcc mit zweiatomiger Basis).

Kristall mit einer vollständigen Bandlücke im

14 Der erste künstliche Photonische Kristall ; 1991: Eli Yablonovitch fertigte den ersten 3D Photonischen Kristall mit einer vollständigen Bandlücke im Mikrowellenbereich, dessen Struktur als Yablonovite bekannt wurde.

Dem Licht näher gekommen ; 1994: Um die Strukturen weiter zu verkleinern wurde von Wissenschaftlern der Iowa State University die Lincoln-Log-Struktur vorgeschlagen.

15 Dem Licht näher gekommen ; 1994: Um die Strukturen weiter zu verkleinern wurde von Wissenschaftlern der Iowa State University die Lincoln-Log-Struktur vorgeschlagen. Der erste dieser Kristalle hatte eine Bandlücke bei einer Wellenlänge von 2,3 cm. ; 1998: Auf der Basis der Lincoln- Log-Struktur entstand der erste Photonische Kristall im fernen Infrarot bei λ = 11 µm.

16 Makroporöses Silizium " Herstellung von 1D und 2D Kristallen ; Photolithographisches erzeugen der Ätzkeime ; Elektrochemisches Wachsen der Poren ; Aspektverhältnis > 500 ; Porendurchmesser bis unter 100 nm " Die theoretisch vorhergesagte Bandlücke kann experimentell bestätigt werden.

17 Makroporöses Silizium

18 Makroporöses Silizium

19 Invertierte Opale " Kolloide sedimentieren zum Opal " Poröser Opal dient dann als Matrix ; Kombination von Sinterung und naßchemischer Reaktion ; Hohlräume werden mit TiO 2 gefüllt ; Herausätzen des Stützmaterials " Es entsteht ein Photonischer Kristall aus regelmäßig angeordneten Lufteinschlüssen in einer TiO 2 Matrix

20 Invertierte Opale

21 Anwendungen " Dielektrische Spiegel ; Miniatur-Antennen " Resonatoren ; Schwellenlose Laser ; Single-Mode-Leuchtdioden " Wellenleiter ; Optische Verdrahtung ; Strahlteiler

22 Jenseits von Maxwell " Nicht-Lineare-Optik ; Solitonen ; Übertragung von Signalen hoher Pulsraten über weite Entfernungen ; Solitonen steuern Solitonen optischer Transistor ; Gap Solitonen Wellen die sich ihren eigenen Transmissonskanal schaffen " Quanten-Optik ; Gebundene Atom-Photon -Zustände

23 Zusammenfassung und Ausblick Photonische Kristalle sind Gegenstand erfolgreicher theoretischer und anwendungsbezogener Forschung. Der weitere Fortschritt in den Strukturierungstechnologien wird es ermöglichen optische Bauelemente zu fertigen. Es könnte eine ähnlich stürmische Entwicklung eingeleitet werden, wie sie in der Elektronik stattgefunden hat.

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