Photonische Kristalle sind so etwas wie "optische Halbleiter", Halbleiter für Photonen. Mit ihnen beschäftigt sich die Forschungsrichtung Nanooptik.

Physikalischer Aufbau

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Photonische Kristalle bestehen aus strukturierten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren und zwingen das Licht mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, sich in der für die Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten. Dadurch wird es möglich, Licht auf Abmessungen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, zu führen. In physikalischer Ausdrucksweise sind es periodische dielektrische Strukturen, deren Periodenlänge so eingestellt wurde, dass sie die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise beeinflussen wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektronen. Sie zeigen daher einzigartige optische Eigenschaften, wie beispielsweise Bragg-Reflexion von sichtbarem Licht.

Insbesondere entsteht analog zur Ausbildung der elektronischen Bandstruktur eine photonische Bandstruktur, die Bereiche verbotener Energie, in denen sich elektromagnetische Wellen nicht innerhalb des Kristalls ausbreiten können (photonische Bandlücken, PBG = englisch: photonic bandgap). Photonische Kristalle können also in gewisser Weise als das optische Analogon zu elektronischen Halbleitern, also als "optische Halbleiter" angesehen werden.

Anwendung

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Daher setzt man große Hoffnung in die Nutzung ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften, insbesondere in der Telekommunikation. Man kann mit Hilfe von photonischen Kristallen beispielsweise Wellenleiter mit sehr kleinen Kurvenradien (im Mikrometerbereich) bei geringen Verlusten, effizientere Festkörperlaser, extrem schmalbandige optische Filter, Multiplexer und verschiedene andere neuartige optoelektronische Bauelemente realisieren.

Vorkommen in der Natur

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Es gibt viele Photonische Kristalle, die in der Natur vorkommen: Opal, Vogelfeder, Schmetterlinge, ...

Forschungsgeschichte u. Literatur

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Photonische Kristalle wurden zuerst 1972 von Bykov beschrieben:

• V.P. Bykov: Spontaneous emission in a periodic structure. in: Soviet Physics JETP. American Institute of Physics, New York 35.1972, 269.

und Ende der 1980er Jahre unabhängig von E. Yablonovich und S. John mit ihren optischen Eigenschaften theoretisch berechnet:

• E.Yablonovitch: Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. in: Physical Review Letters. New York 58.1987, 2059-2062.
• S. John: Strong Localisation of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices. in: Physical Review Letters. New York 58.1987, 2486-2489.

Seit dieser Zeit hat die Forschungsaktivität in diesem Bereich stetig zugenommen und photonische Kristalle sind zu einem aktiven Forschungsgebiet geworden an dem weltweit viele Arbeitsgruppen an Universitäten und Forschungseinrichtungen arbeiten.

Weblinks

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• Überblick über die aktuellen Entwickl. auf dem Gebiet der photon. Kristalle (Sehr gute Zusammenstellung von Yurii Vlasov auf engl.)
• Übersicht über ein DFG Schwerpunktprogramm

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