Um die Ecke leuchten

Doch sie haben gegenüber Licht durchaus einen Vorteil: sie stören die Kreise nicht, die die Chipdesigner auf das Silizium fabrizieren, sprich: sie lassen sich relativ problemlos auch auf verschlungenen Leiterstrukturen durch Schaltkreise führen. Das ist bei Photonen nicht so einfach, die sich einerseits nur schwer speichern und andererseits nur auf komplizierte Weise leiten lassen. Wir sprechen hier ja nicht von den typischen Dimensionen einer Glasfaser (die hat sich bewährt), sondern von Größen im Sub-Mikrometer-Bereich, wie man sie heute in der Elektronik vorfindet. Und was da den Physikern schon Bauchschmerzen bereitet, war für Licht bisher noch komplizierter zu lösen.

Künstlerische Darstellung des Waveguides (Illustration: Stephen Eisenmann, Imaging Technology Group, Beckman Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign)

Was für die Elektronen verschieden dotierte Halbleiterstrukturen sind, bilden im Gebiet der Lichttechnik die photonischen Kristalle. Sie besitzen durch ihren physikalischen Aufbau Bereiche, in denen sich Licht bestimmter Wellenlängen nicht ausbreiten kann - die so genannten photonischen Bandlücken. Photonische Kristalle könnten dereinst als Grundbausteine für optische Schalter, Leiter und sogar Laser dienen - wenn die mit ihnen zusammenhängenden Probleme erst einmal gelöst sind.

Und dazu gehört es, dreidimensionale Defekte in genau definierten Abfolgen in ihnen anzulegen. Es ist zwar schon gelungen, solche Defekte recht präzise in zwei Dimensionen herzustellen, doch Licht breitet sich nun einmal dreidimensional aus. Forscher der University of Illinois stellen nun im Online-Fachmagazin Nature Photonics eine Methode vor, mit eben diesem Problem aufzuräumen.

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Um diese Methode zu erklären, empfiehlt sich zunächst ein Besuch in einem Schmuckgeschäft. Es gibt dort einen Schmuckstein, nämlich den Opal, der ein ganz charakteristisches, schillerndes Farbenspiel aufweist. Dieser hübsche Effekt hängt schon mit den besonderen optischen Eigenschaften des Opals zusammen - der Kieselgel-Stein ist nämlich ein photonischer Kristall. Benutzt man einen Opal quasi als Maske, um seine internen Strukturen abzubilden, erhält man die so genannten inversen Opale - das sind nicht wirklich Edelsteine, sondern andere Kristalle mit der inversen Struktur des Opals.

In diesem Fall gelang es dem Team um Paul Braun, inverse Opale aus Silizium zu konstruieren, und in diese definierte mehrdimensionale Strukturen einzubetten, die unter anderem als Lichtkanäle (Waveguides), Strahlenteiler in Y-Form und als optische Hohlräume verwendbar sind. Mit der in ihrem Paper beschriebenen Technik, meinen die Forscher, könnte es ebenfalls möglich sein, in den photonischen Kristall optische Emitter oder auch nichtlineare Materialien (mit Verstärkerfunktion) einzubauen. Das Ziel besteht denn auch darin, letztlich rein optische Schaltkreise zu konstruieren, die auf Elektronik verzichten können. Zumindest die nötige Genauigkeit ist mit dem Verfahren der Wissenschaftler erreichbar.