Forschung – Photonische Kristalle

Die photonischen Kristalle sind periodische Anordnungen von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, deren Dimensionen in Ausbreitungsrichtung im Gegensatz zu den Negativ-Index-Metamaterialien vergleichbar mit der Wellenlänge der betrachteten elektromagnetischen Welle sind. Solche Strukturen besitzen ein komplexes photonisches Banddiagramm, das für die beiden orthogonalen Polarisationszustände TE (transversal elektrisch) und TM (transversal magnetisch) unterschiedlich ist, und können daher eine Vielfalt von Attraktiven Phänomenen aufweisen, die in mehreren Anwendungen in der optischen Nachrichtenübertragung benutzt werden können. Einer der bekannten Effekte in photonischen Kristallen ist der Bandlücken-Effekt, wo sich die elektromagnetische Welle in einem bestimmten Frequenzbereich nicht ausbreiten kann. Außerdem können die photonischen Kristalle unter bestimmten Bedingungen einen negativen Brechungsindex haben, so dass das Licht statt des konventionellen Pfades eine negative Brechung verfolgt.

Am Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) werden die photonischen Kristalle sowohl im Hochfrequenz- als auch im optischen Bereich bei der Telekommunikationswellenlänge untersucht.

Abbildung 1 illustriert einen photonischen Kristall, der auf der negativen Brechung beruht und zur Fokussierung der elektromagnetischen Wellen bei Wellenlängen um 1500 nm dient. Die Strukturen werden in der SOI-Technologie (Silicon-On-Insulator) realisiert und sind mittels einmodiger Wellenleiter zu Gitterkopplern verbunden, die die Einkopplung des Lichtes von und zur Glasfaser gewährleisten, wie in Abbildung 2 veranschaulicht ist.

Der Effekt der negativen Brechung kann auch verwendet werden, um eine physikalische Auftrennung der beiden orthogonalen Polarisationszustände zu erreichen und daraus einen integrierten Polarisationsteiler zu bauen. Die Parameter des photonischen Kristalls können dann so dimensioniert werden, dass eine Polarisation negativ und die andere Polarisation positiv gebrochen wird. Abbildung 3 zeigt das Bild und die Transmissionsspektren dieser Struktur.

Außer hervorragender Leistung und niedriger Kosten der SOI-Technologie ist der hohe Brechungsindexunterschied zwischen Si und SiO2 sehr attraktiv für die photonischen Kristalle, die die Realisierung von sehr kompakten integrierten photonischen Schaltungen ermöglichen.

Abbildung 1: Simulation der elektrischen Feldverteilung und Messergebnisse des Transmissionsspektrums der SOI-Wellenleiter-Strukturen ohne und mit dem negativ brechenden photonischen Kristall.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des photonischen Kristalls und der Eingangs- bzw. Ausgangswellenleiter mit den Gitterkopplern in der SOI-Technologie.

Abbildung 3: Simulations- und Messergebnisse der Transmissionsspektren an den beiden Ausgängen des photonischen Kristalls.