Vorantrag für ein DFG-Schwerpunktprogramm

Photonische Kristalle

Prof. Helmut Föll, Allgemeine Materialwissenschaft, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kaiserstraße 2, 24143 Kiel, Tel.: 0431 77572500, email: hf@techfak.uni-kiel.de

Dr. Ralf B. Wehrspohn, Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, 06120 Halle, Tel.: 0345 5582726, Fax: 0345 5511223, email: wehrspoh@mpi-halle.mpg.de

Mit der Erfindung des Lasers wurde aus der Optik die Photonik; Fortschritte entwickelten sich zunehmend über die gezielte Beeinflussung der Photonendynamik durch spezifisch dafür entwickelte Materialien. Photonische Kristalle oder "photonic band gap materials" (PBG), erstmals durch E. Yablonovitch [1] und S. John [2] beschrieben, stellen eine neuartige Klasse von Dielektrika dar, mit der die Steuerung des Photonenflusses auf eine neue Ebene gehoben werden kann. PBGs, bestehend aus periodischen Anordnungen dielektrischer Strukturen mit Gitterkonstanten im Bereich der Lichtwellenlänge, haben bezüglich Photonen ähnliche Eigenschaften wie Halbleitermaterialien bezüglich Elektronen und Löchern. Insbesondere lassen sich Bandlücken im Wellenzahlraum der Photonen erzeugen. Im Gegensatz zu Halbleitern, die die kohärente Ausbreitung von Elektronenwellen fördern, können Photonen im PBG kohärent lokalisiert sein; damit wird eine neuartige und noch nicht ausgelotete Forschungsrichtung in der Photonik etabliert. Eine unmittelbare Konsequenz dieser Eigenschaft besteht darin, daß die spontane Emission aus Zwei-Niveau Systemen, (z.B. geeignete Atome oder Moleküle), die in einen PBG eingebaut sind, völlig unterdrückt wird, falls die Wellenlänge des emittierenden Lichts in die Energielücke des PBG fällt. Das Photon bildet ersatzweise einen gebundenen Zustand mit dem Atom. Mit lokalisierten Photonen und unterdrückter spontaner Emission öffnet sich nicht nur ein neues Forschungsgebiet, sondern auch die Tür zu einer Reihe von neuartigen photonischen Bauelementen wie Laser mit niedriger Schwelle oder ultraschnelle optische Schalter. Eine zusätzliche Attraktion für Forschung und Anwendung besteht in der Möglichkeit, in die PBG Kristalle Defekte einzubauen, mit Auswirkungen analog zu Halbleitern, aber auch mit neuartigen Eigenschaften. "Atomare Fehlstellen" können beispielsweise erlaubte Zustände im optischen Bandgap einführen, während lineare Defekte wie Lichtwellenleiter wirken können. Damit werden neue Baulelemente für eine integrierte Optoelektronik im Bereich der Telekommunikation möglich und bei entsprechender Schaltbarkeit des einen Dielektrikums opto-optische oder elektro-optische Schalter.

Die Forschungsfelder gliedern sich in vier Disziplinen:

• Theorie: Berechnungen zu Bandlücken der PBG, Transmissionsverhalten der PBG, neuartige Phänomene wie Solitonen, quantenoptische Berechnungen für Emissionsverhalten von Leuchtzentren in PBGs und nichtlineare optische Effekte.

• Herstellung: Da die für Anwendungen interessanten Strukturen im Nanometer Bereich liegen, sind sowohl "top-down" als auch "bottom-up approaches" möglich. An beiden Gebieten wird und soll geforscht werden, wobei die Nanostrukturierung von Gruppe III-V als auch IV Halbleitern im Hinblick auf Integration kurzfristig kompatibler zu anderen optoelektronischen Baulelemten ist. Hier sind aufgrund der Strukturgröße high-end Nanostrukturierungs- und Ätzverfahren nötig und zu entwickeln.

• Charakterisierung: Aufgrund der nanometergroßen Strukturen sind sehr spezielle Messmethoden zu verwenden und für neuartige Bauelemente auch teilweise neue optische Charakterisierungsmethoden zu entwickeln.

• Anwendungen/Bauelemente: Aufgrund des industriellen Interesses im Bereich optische Datenübertragung (Wellenleiter, Add/Drop Filter für Multiplexer), optoelektronische Bauelemente (LED, Laser, optische Schalter), etc., ist es wichtig, erste Bauelemente zu entwickeln und deren Brauchbarkeit zu demonstrieren.

Bei dem ersten Vorbereitungstreffen nahmen 42 Gruppen aus allen vier Bereichen teil. Gerade Zusammenarbeit ist in diesem neuartigen Forschungsgebiet besonders von Bedeutung, da keine Gruppe alle diese 4 Disziplinen alleine durchführen kann. Eine enge Zusammenarbeit zwischen Theorie, Herstellung und Charakterisierung für die unterschiedlichen opto-elektronischen Strukturen und Anwendungen ist geplant und letztendlich deren Integration in Bauelemente. Industrielles Interesse ist vorhanden. Erste Kontakte zur Deutschen Telekom, SCHOTT, Infineon und anderen Unternehmen bestehen.

International gibt es besonders in den USA und Japan lebhafte Aktivitäten auf dem Gebiet der photonischen Kristalle. Zum Abschluß war noch erwähnt, daß die Zeitschrift "Science" dieses Gebiet als eines von sechs der in der nahen Zukunft bedeutenden Forschungsgebiete eingestuft hat [3].

[1] E. Yablonovitsch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987)

[2] S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987)

[3] Science, 292, 2158 (1998)

An der Teilnahme interessierte Wissenschaftler(innen):

Beim Treffen zur Einrichtung eines DFG Schwerpunktes am 8. Juni 1999 am MPI für Mikrostrukturphysik in Halle haben ca. 42 Gruppen aus 20 universitären und 12 außeruniversitären Einrichtungen ihr Interesse an einem DFG Schwerpunktprogramm bekundet.

Internationale Zusammenarbeit

Eine Forschergruppe aus Holland (Prof. Lagendijk, Universiteit Amsterdam, Niederlande) hat schriftlich Interesse an einer Zusammenarbeit im Rahmen eines DFG-Schwer-punktprogrammes geäußert. Der Begleitbrief ist beigefügt. Prof. L.C. Kimerling vom MIT arbeitet bereits im Rahmen eines Senior Scientist Award der Humboldt-Stiftung für seine Arbeiten an photonischen Kristallen mit deutschen Forschungsinstituten zusammen. Einer der Erfinder des Konzepts der photonischen Kristalle, Prof. Sajeev John (University of Toronto), hat einen Antrag bei einer kanadischen Wissenschaftsorganisation auf Förderung der Zusammenarbeit mit deutschen Forschern auf diesem Gebiet gestellt. Im weiteren ist es vorgesehen, Professor John für einen Senior Scientist Award der Humboldt-Stiftung vorzuschlagen und ihn daraufhin einige Zeit an deutsche Institute zu holen.