Photonische Kristalle als Halbleiter für Licht

Wissenschaftlerteam publiziert neue Laser-Methode in „Nature Materials“

Wissenschaftler der Universität Karlsruhe haben in der aktuellen Ausgabe der renommierten Wissenschaftszeitschrift „Nature Materials“ ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie Photonische Kristalle erzeugen, die Halbleitereigenschaften für Licht mit Wellenlängen aufweisen, wie sie in der Telekommunikation genutzt werden (Nature Materials 3, Seite 444, 2004). Die Besonderheit dieser Materialien: Aus ihnen lassen sich Komponenten entwickeln, die Licht einer bestimmten Wellenlänge ausfiltern oder umleiten können. Durch diese Eigenschaften könnten sie in Zukunft als Grundlage für die Fertigung von Bauteilen dienen, die in so genannten photonischen Schaltkreisen verwendet werden. Diese sind das Pendant zum elektronischen Schaltkreis: In der Elektronik funktioniert die Informationsübertragung durch Strom, in der Photonik durch Licht.

Halbleiterelemente sind aus der heutigen Elektro- und Informationstechnologie nicht mehr wegzudenken. Zahlreiche Bauelemente basieren auf Halbleiterkristallen, die etwa aus Silizium bestehen. Ihre besonderen Eigenschaften erlauben es, kleine hochintegrierte Schaltungen beispielsweise für Computer herzustellen. Die Daten werden bei dieser Technologie durch Elektronen übertragen, die als elektrischer Strom durch den Kristall fließen.

Um in Zukunft leistungsstärkere Komponenten bauen zu können, die noch größere Datenmengen noch schneller als bisher übertragen und verarbeiten können, setzen Wissenschaftler und Techniker zunehmend auf optische Bauelemente. Träger der Information sind dabei kleinste Lichtpakete, so genannte Photonen. In Glasfaserkabeln kommt dieses Prinzip bereits zum Einsatz. Kleinste „photonische“ Elemente, die einmal elektronische Bauteile in der Datenkommunikation ersetzen könnten, können aber bisher nicht in industriellem Maßstab hergestellt werden, da es keine Kristallstrukturen gibt, deren Eigenschaften denen elektronischer Halbleiter entsprechen. In Nature Materials hat das internationale Team um Professor Dr. Martin Wegener, Leiter des Instituts für Angewandte Physik und Sprecher des DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN), jetzt ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie der kostengünstigen und zuverlässigen Herstellung solcher Materialien ein großes Stück näher gekommen sind: Mit ihrer Methode können sie Photonische Kristalle erzeugen, die Halbleitereigenschaften für Licht mit Wellenlängen aufweisen, wie sie bei der Telekommunikation genutzt werden.

Die Wissenschaftler verwenden hierzu die Technik des direkten Laserschreibens. Dabei bewegt sich ein stark fokussierter und gepulster Laserstrahl durch eine Schicht aus Photolack. Nur im Brennpunkt des Laserstrahls wird der Lack chemisch umgewandelt und verfestigt. Punkt für Punkt und Puls für Puls entsteht so ein komplexes Netzwerk aus polymerisiertem Photolack. Die dreidimensionale Struktur dieser Gebilde, die nur wenige Tausendstelmillimeter groß sind, und die geringe Rauhigkeit der Oberflächen, die im Bereich weniger Nanometer (Millionstelmillimeter) liegt, liefern die gewünschten photonischen Eigenschaften. Auf Photonischen Kristallen aufbauende Elemente können Licht definierter Wellenlängen ausfiltern oder Photonen praktisch verlustfrei weiterleiten und umlenken. Die neue Methode ist somit ein wichtiger Schritt hin zu photonischen Schaltkreisen und einer rein optischen Datenverarbeitung. Mit Hilfe dieser Technologie könnten eines Tages elektronische Schaltkreise für viele Anwendungen abgelöst werden.