Photonische Kristalle

Forschungsgebiet Photonik

Photonische Kristalle stellen einen aktuellen Forschungsschwerpunkt innerhalb der Photonik – der Informationsverarbeitung mit Photonen - dar. Derzeit werden in einer Vielzahl von Staaten, wie zum Beispiel in Japan und in den USA, intensive Forschungen durchgeführt, um mit Hilfe der photonischen Kristalle konkrete Technologien zu entwickeln, deren Realisierung bisher unmöglich war.

Als Erster berichtete im Jahr 1972 der sowjetische Physiker V.P. Bykov über die photonischen Kistalle. Unabhängig voneinander behandelten später im Jahr 1987 die Physiker Eli Yablonovitch bzw. Sajeev John in wissenschaftlichen Artikeln dieses Thema.

Photonische Kristalle in der Natur

Vereinzelt kommen photonische Kristalle auch in der Natur vor. Sie sind zum Beispiel für die schillernden Effekte von Opalen und einigen Kristalliten auf Schmetterlingsflügeln verantwortlich. Auch die im Plankton vorkommenden Kieselalgen sind photonische Kristalle. Der glasartige Körper dieser Kieselalgen lässt das ins Wasser einfallende Licht effektiver auf die Chloroplaste fallen.

Grundsätzlich handelt es sich bei den photonischen Kristallen um periodische Strukturen, die in spezieller Art auf Licht wirken. Diese Materialien verfügen über einen periodisch veränderlichen Brechungsindex und beeinflussen die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. So wird zum Beispiel auftreffendes Licht vielfach gestreut.

Photonische Bandstruktur

Ähnlich der elektrischen Struktur eines Halbleiters besitzen photonische Kristalle eine so genannte photonische Bandstruktur. Das heißt: im photonischen Kristall sind dielektrische Medien periodisch so angeordnet, dass sie den Photonen ein periodisches Potential bieten. Dadurch ergibt sich eine Bandlücke – die so genannte photonische Bandlücke. Licht mit einer bestimmten Wellenlänge kann sich darin nicht ausbreiten. Schlicht formuliert könnte man auch sagen: photonische Kristalle sind Gitter, die auf spezielle Weise Licht einfangen können.

Mit Hilfe photonischer Kristalle kann man also die Ausbreitung von Licht kontrollieren und zielgerichtet beeinflussen. So wie im Bauwesen für Bauarbeiten an verschiedenen Gebäuden verschiedene Gerüste und Schalungen eingesetzt werden, dienen differenziert strukturierte photonische Kristalle zur Umsetzung verschiedener technologischer Aufgabenstellungen.

Künstliche photonische Kristalle

Obwohl photonische Kristalle, wie schon erwähnt, auch in der Natur vorkommen, müssen sie jedoch auf künstlichem Weg hergestellt werden, wenn man die entsprechenden Eigenschaften photonischer Kristalle technisch konkret nutzen möchte. Voraussetzung für die künstliche Erzeugung photonischer Kristalle ist, dass man überhaupt Materialien mit einer äußerst feingliedrigen dreidimensionalen Struktur herzustellen vermag. Dies ist inzwischen technisch möglich.

Signalübertragung in Kristallen

Photonische Kristalle können als Spiegel, als Wellenleiter oder auch als Resonator angewendet werden. In der Zukunft sollen elektronische Bauteile zur Datenübertragung rein optisch realisiert werden. Photonische Kristalle werden dann zur Grundlage für den Bau integrierter Schaltkreise.