DE10222150B4

DE10222150B4 - Photonischer Kristall

Info

Publication number: DE10222150B4
Application number: DE2002122150
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Seyringer
Original assignee: PHOTEON TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: PHOTEON TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2022-05-18
Also published as: WO2003098331A1; WO2003098331B1; DE10222150A1

Abstract

Photonischer Kristall (1) bestehend aus einem Material (2) mit einem ersten Brechungsindex, in das regelmäßige Strukturen (8) aus einem Material (3) mit einem zweiten Brechungsindex eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall aus vier Schichten (4; 5; 6; 7) besteht, dass die regelmäßigen Strukturen (8) des photonischen Kristalls (1) eine zweidimensionale Periodizität in der Ebene der beiden mittleren Schichten (5; 6) aufweisen, und dass eines der beiden Materialien (2; 3) aus einem Polymer besteht, dessen Brechungsindex temperaturabhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photonischen Kristall nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die neueste Generation von integrierten optischen Komponenten beruht auf sogenannten Photonischen Kristallen. Photonische Kristalle sind Kristalle für Photonen, deren Brechungsindex auf einer Skala der Wellenlänge des Lichts periodisch moduliert ist. Photonische Kristalle bestehen im allgemeinen aus einem periodisch strukturierten Material.
Photonische Kristalle zeigen eine sogenannte photonische Bandlücke. Licht einer bestimmten Wellenlänge kann sich in diesem Medium nicht mehr ausbreiten. Dieser Effekt beruht auf einer Vielfachreflexion des Lichts innerhalb des Kristalls. Im einfachsten Fall stellt man einen Photonischen Kristall her, indem man in ein Material ausreichend kleine Löcher einbringt und diese geeignet anordnet, z. B. in regelmäßigen Abständen zueinander. Diese Löcher wirken für das Licht wie die Atome eines herkömmlichen Kristalls für die Elektronen, wobei die Kristalleigenschaften durch die Anordnung und Größe der Löcher bestimmt werden.
Ein Problem ist, dass man nach der Produktion des Photonischen Kristalls dessen Kristalleigenschaften nicht mehr ändern kann, da die Anordnung der Strukturen fest vorgegeben ist und somit die Kristalleigenschaften ebenfalls fest vorgegeben sind.
DE 196 10 656 A1 offenbart eine optische Weiche basierend auf einem photonischen Kristall, dessen Durchlasseigenschaften durch Anlegen eines elektrischen Feldes beeinflusst werden können.
Der Aufsatz von Mertens et al.: „Shift of the photonic band gap in two photonic crystal/liquid crystal composites”, aus Applied Physics Letters, Volume 80, No. 11, 18 March 2002, beschäftigt sich mit der Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der photonischen Bandlücke bei photonischen Kristallen.
Die oben beschriebenen Kristallstrukturen sind relativ kompliziert aufgebaut und daher für den praktischen Einsatz wenig geeignet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Photonischen Kristall zu schaffen, der einen einfachen und praktikablen Aufbau besitzt und dessen Kristalleigenschaften jederzeit ohne großen Aufwand verändert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht darauf, einen Photonischen Kristall mit einem Material mit variabler Brechzahl zu kombinieren. Durch gezielte Veränderung der Brechzahl dieses Materials können die Eigenschaften des Photonischen Kristalls jederzeit sehr einfach geändert werden.
Entweder wird für das Trägermaterial oder für das die regelmäßigen Strukturen bildende Material ein Material mit variablem Brechungsindex verwendet. Variiert man den Brechungsindex ändert sich die Form und Größe der Bandlücke im Photonischen Kristall. Erhöht man die Brechzahl des einen Materials gegenüber dem anderen Material, so wird die Bandlücke immer größer. Wird die Brechzahl in beiden Materialien gleich groß, verschwindet die Bandlücke völlig und der Photonische Kristall verhält sich wie ein gewöhnlicher Wellenleiter.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung von zwei verschiedenen Ausführungsformen eines zweidimensionalen Photonischen Kristalls;
2: Aufbau eines einfachen Photonischen Kristalls mit variabler Bandlücke;
3: schematische Darstellung der Ausbildung verschiedener Energiebänder im Photonischen Kristall.
1 zeigt schematisch zwei mögliche Ausgestaltungen eines zweidimensionalen Photonischen Kristalls 1 gemäß der Erfindung. Der Kristall besteht aus einem Trägermaterial 2, z. B. in Form eines herkömmlichen Wellenleiters, welches von regelmäßigen Strukturen in Form von zweidimensionalen „Säulen” 3 durchsetzt ist.
In dem Ausführungsbeispiel, gemäß 1A, wird für die Säulen 3 ein Material mit veränderbarem Brechungsindex, vorzugsweise ein Polymer, verwendet, während das Trägermaterial 2 z. B. aus einer Siliziumverbindung besteht.
In 1B besteht das Trägermaterial 2 aus einem Material mit veränderlichem Brechungsindex, während die Säulen 3 z. B. aus einer Siliziumverbindung bestehen.
Allgemein kann erfindungsgemäß ein beliebiges Material verwendet werden, dessen Brechzahl durch einen physikalischen Effekt verändert werden kann. Hierzu zählen z. B. der thermo-optische und der elektro-optische Effekt. Des weiteren sind Materialien bekannt, deren Brechzahl sich bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge ändert. Vorzugsweise wird ein Polymer verwendet, da dessen Brechungsindex in weiten Bereichen veränderlich ist.
Durch die Änderung der Brechzahl des Materials – im Folgenden kurz Polymer genannt – in den Säulen 3 bzw. im Material 2 um die Säulen herum kann man nicht nur die Bandlücke dieses Photonischen Kristalls 1 ein- und ausschalten, sondern durch geringe Brechzahländerungen lässt sich die Bandlücke stufenlos verkleinern bzw. vergrößern. Damit ist es möglich, dass beispielsweise eine bestimmte Wellenlänge innerhalb der Bandlücke liegt und die Struktur somit als Photonischen Kristall „sieht”, während eine benachbarte Wellenlänge bereits außerhalb der Bandlücke liegt und die Struktur somit als gewöhnlichen Wellenleiter sieht.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 wurde ein Standardwellenleiter verwendet, bestehend aus einem Siliziumsubstrat 4, einer unteren SiO₂-Deckschicht 5, darauf der eigentliche Wellenleiter 6, und einer oberen SiO₂-Deckschicht 7. Auf der oberen Deckschicht 7 ist ein Heizelement 9 angeordnet, das z. B. elektrisch beheizt wird. In der Wellenleiterstruktur 6 und einem Teil der unteren Deckschicht 5 befinden sich zylindrische Löcher, die mit einem Polymer 8 mit thermo-optischen Eigenschaften gefüllt sind.
Das Polymer 8 ist dabei so ausgewählt, dass dessen Brechzahl bei Temperaturerhöhung zunimmt, wobei die Brechzahl im nicht geheizten Zustand z. B. mit der Brechzahl der Deckschichten 5, 7 übereinstimmt und somit die gesamte Struktur als Photonischer Kristall funktioniert.
Wenn man nun das Polymer 8 mittels des Heizelements 9 erhitzt, erhöht sich die Brechzahl des Polymers bis sie den Wert des Wellenleitermaterials 6 erreicht. Dadurch wird die spezifische Bandlücke immer kleiner bis sie schließlich ganz verschwindet und die Struktur wie ein gewöhnlicher Wellenleiter funktioniert. Wenn man nun Licht einkoppelt, breitet es sich wie in einem gewöhnlichen planaren Wellenleiter aus – der Photonische Kristall ist gewissermaßen ausgeschaltet.
3 zeigt beispielhaft die Ausbildung von verschiedenen, von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängigen Energiebänder im Photonischen Kristall. In den Bandlücken zwischen den Energiebändern ist keine Lichtausbreitung im Photonischen Kristall möglich.

Claims

Photonischer Kristall (1) bestehend aus einem Material (2) mit einem ersten Brechungsindex, in das regelmäßige Strukturen (8) aus einem Material (3) mit einem zweiten Brechungsindex eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall aus vier Schichten (4; 5; 6; 7) besteht, dass die regelmäßigen Strukturen (8) des photonischen Kristalls (1) eine zweidimensionale Periodizität in der Ebene der beiden mittleren Schichten (5; 6) aufweisen, und dass eines der beiden Materialien (2; 3) aus einem Polymer besteht, dessen Brechungsindex temperaturabhängig ist.
Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf das Material (2; 3) mit veränderlichem Brechungsindex einwirkendes Heizelement (9) vorgesehen ist.
Photonischer Kristall nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (9) ein elektrisch betriebenes Heizelement ist.