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Wie man Licht um die Ecke bringt

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Lichtführung um 90-Grad-Ecken in photokristallinem Silizium. (Die Markierung entspricht 3 µm)

In der aktuellen Ausgabe von Nature Photonics berichten Forscher der University of Illinois in den USA, dass ihnen die Herstellung von Wellenleitern in einem photonischen Kristall gelungen ist, die vollständig in das Material eingebettet sind und die ohne die Verwendung von Mikrospiegeln Richtungsänderungen bei der Lichtführung von 90 Grad erlauben. Damit ließen sich in der Optoelektronik hochintegrierte Chips erzeugen.

Üblicherweise beruht die Lichtführung in optischen Wellenleitern auf dem Effekt der Totalreflexion an der Grenzfläche zu einem Umgebungsmaterial mit niedrigerem Brechungsindex als das Wellenleitermaterial. Zu starke Krümmungen der Leiterbahnen beeinträchtigen allerdings die Totalreflexion und können zur Folge haben, dass das Lichtsignal in der Ummantelung absorbiert wird. In der Praxis begrenzt dies die Möglichkeiten, optoelektronische Chips in gleicher Weise zu miniaturisieren wie die Chips der Mikroelektronik.

Photonische Kristalle hingegen sind poröse, periodisch mikrostrukturierte Materialien, die für bestimmte Wellenlängen eine Barriere darstellen; als Ummantelung eines Lichtwellenleiters könnten sie ebenfalls verhindern, dass daraus Licht in die Umgebung entweicht. Der Einbau von Lichtwellenleitern in solche Materialien erwies sich jedoch bisher als schwierig. Die Gruppe um Paul Braun ließ dazu Silikatkügelchen von 725 und 925 Nanometern Durchmesser auf einem Siliziumsubstrat kristallin aufwachsen und schuf so zunächst eine Struktur, die dem Opal ähnelt -- einem natürlichen photonischen Kristall aus Silikat, das mit regelmäßigen Lufteinschlüssen durchsetzt ist.

Den porösen Opal als Ausgangsmaterial versetzten die Forscher mit einer Monomer-Lösung und führten dann einen fokussierten Laserstrahl entlang der gewünschten Wellenleiterbahn, wobei sich die Monomere unter der gezielten Lichteinwirkung durch Polymerisation molekular verketten – ein ähnliches Verfahren wie beim Schreiben von Strukturen mit einem Elektronenstrahllithografen auf Fotolack (resist). Nach dem Entfernen des Monomers blieben so Polymerregionen zurück, die in den künstlichen Opal eingebettet waren. Dessen Hohlräume wurden im nächsten Schritt mit Silizium aufgefüllt – wobei die bereits mit Polymer gefüllten Bahnen natürlich ausgespart blieben – und anschließend das ursprüngliche Silikat, das lediglich als Negativ diente, herausgeätzt. Auf diese Weise entstand, quasi als "invertierter Opal", ein photonischer Kristall aus Silizium, der den Lichtwellenleiter umgibt.

Transmissionmessungen mit dem auf die Barriere des photonischen Kristalls abgestimmtem Licht von 1,48 Mikrometer Wellenlänge zeigten, dass das Signal tatsächlich durch den Wellenleiter mit seinen rechtwinkligen Ecken geführt wurde. Die Forscher glauben, dass sich mit ihrem Verfahren komplexe dreidimensionale optische Schaltkreise in hoher Qualität herstellen lassen. (Richard Sietmann) (as)