Mit photonischen Kristallen haben Physiker ein Material geschaffen, in dem völlig neue Regeln für die Lichtausbreitung gelten. Die Vorteile der daraus hergestellten optischen Bauteile für Telekommunikation und Computertechnik sind riesig.
Die drei Aufgaben scheinen eines Harry Potters würdig: Bremse einen Lichtstrahl ab, bis seine Geschwindigkeit Null ist! Knicke, biege, teile ihn, manipuliere ihn nach allen Regeln der Kunst! Und dann – als Höhepunkt der Zauberei – nimm eine hell strahlende Lichtquelle und baue einen durchsichtigen Käfig so um sie herum, dass sie sich nicht mehr traut, auch nur ein einziges Photon auszusenden!
Ob die Magier aus Hogwarts, der Zauberschule Harry Potters, diese Aufgaben lösen könnten, ist schwer zu sagen. Doch Physiker aus aller Welt haben sich genau das vorgenommen: Sie wollen die Gesetze des Lichts, wie sie bisher in der Schule gelehrt werden, umschreiben – oder zumindest Anwendungen schaffen, bei denen sie neu interpretiert werden müssen. „Wir wollen Licht in Zukunft genauso beeinflussen können, wie es die Halbleitertechniker in den letzten Jahrzehnten mit den Elektronen getan haben”, sagt Ralf Wehrspohn, Forscher in der Abteilung von Prof. Ulrich Gösele am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und seit April 2003 Physikprofessor in Paderborn. Trotz seiner 33 Jahre gehört Wehrspohn bereits zu den Pionieren der neuen Lichtforschung, die künftig das Gebiet der Photonik so revolutionieren könnte wie Silizium, Transistoren und Mikrochips zuvor die Elektronik.
Die Idee der photonischen Kristalle – so heißt das Objekt der Begierde der Forscher aus Halle – ist noch sehr jung: Erst seit wenigen Monaten gibt es erste Anwendungen. Doch die Zukunftsaussichten sind grandios und reichen laut Wehrspohn „von der Sensorik über die Computer- und Telekommunikationsindustrie bis hin zur Kosmetikbranche”. Im Kern geht es bei den photonischen Kristallen um das Beeinflussen von Lichteigenschaften durch Interferenz – also durch die Überlagerung von Lichtwellen. Diese Effekte kennt jeder, der schon einmal beobachtet hat, wie Wasserwellen ineinander fließen: Wo sich Wellenberge treffen, verstärken sie sich, wo hingegen ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, löschen sich beide gegenseitig aus. Dasselbe gilt für Lichtwellen. Auch das ist aus der Natur bekannt: So schimmert ein Ölfilm auf Wasser in unterschiedlichen Farben, je nachdem, unter welchem Winkel man ihn betrachtet. Dabei verstärken oder schwächen sich die Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge (zuständig für die verschiedenen Farben), die an der Vorder- und Rückseite des Films reflektiert werden. Diese Reflexionen wiederum gibt es, weil hier Materialien mit verschiedenen optischen Eigenschaften aufeinander stoßen: Luft stößt auf Öl, und Öl stößt auf Wasser. Auch in der Technik nutzt man diesen Effekt schon seit längerem aus, beispielsweise für Antireflexbeschichtungen bei Brillen.
Ein dreidimensionaler photonischer Kristall ist einfach die logische Fortschreibung dieses physikalischen Prinzips in eine räumliche Form: eine „periodische Änderung der optischen Eigenschaften in allen drei Raumrichtungen”, wie Wehrspohn sagt. Eli Yablonovitch, der als Forscher bei den Bell Labs in Holmdel, New Jersey (USA), 1987 erstmals das Konzept der photonischen Kristalle beschrieb, stellte sich zur Illustration eine Kiste Orangen vor. Sitzt der Beobachter auf einer Orange in der Mitte, sieht er in allen Raumrichtungen dasselbe: eine Abfolge von Luft, Orange, Luft, Orange und so weiter, eben eine periodische Änderung mit dem Orangendurchmesser als Periode. Wenn es nun in der Mikrowelt einen ähnlichen Aufbau gäbe, mit einer Periode in der Größenordnung von Lichtwellenlängen – also sozusagen Nano-Orangen mit Abmessungen von einigen Hundert Nanometern (Millionstel Millimetern) –, dann, so überlegte Yablonovitch, könnten sich bestimmte Farben des Lichts in einem solchen Kristall überhaupt nicht ausbreiten. Der Grund: Die Reflexionen aus allen Raumrichtungen würden sich so überlagern, dass es zu einer vollständigen Auslöschung käme.
Das ist derselbe Effekt, den Halbleiter wie Silizium und Galliumarsenid für Elektronen aufweisen. Hier ist es den Elektronen, die sich in einem Festkörper ebenfalls wie Wellen verhalten, unmöglich, bestimmte Energiewerte anzunehmen – wegen dieser Analogie nennen die Physiker die photonischen Kristalle auch „Halbleiter für Licht”. Die Parallelen zur Halbleitertechnik sind so groß, dass 1987 ein weiterer Forscher, Prof. Sajeev John von der Universität Toronto in Kanada, unabhängig von Yablonovitch auf dieselbe Idee kam. „Heute weiß man zwar durch zahlreiche Simulationen und Experimente, dass die Verhältnisse in den photonischen Kristallen komplizierter sind, als es das einfache Orangenmodell beschreibt, aber das Grundkonzept von Yablonovitch und John war völlig richtig”, sagt Wehrspohn.
Während die einen Forscher Ende der achtziger Jahre noch überlegten, wie sie photonische Kristalle herstellen könnten, entdeckten andere, dass es sie in der Natur bereits gibt: Opale – hell schimmernde Edelsteine – und manche Schmetterlingsflügel enthalten Strukturen mit sehr regelmäßig angeordneten Löchern. Sie bewirken, dass diese Materialien, obwohl sie eigentlich transparent wären, in Grün und Blau schimmern – eben genau in den Farben, die sich im Inneren des Edelsteins oder Flügels nicht ausbreiten können und daher reflektiert werden. Mit dem Opal als Vorbild lassen sich inzwischen photonische Kristalle nach einer relativ simplen Methode herstellen: Winzige Quarz- oder Kunststoffkügelchen mit Durchmessern von einigen Hundert Nanometern werden in einer Flüssigkeit gelöst, die dann so langsam verdunstet, dass sich die Kügelchen von selbst zu den „ Nano-Orangen-Stapeln” anordnen. Und schon hat man einen photonischen Kristall, der in verschiedenen Farben schillert.
„Derartige künstliche Opale werden Unternehmen der chemischen Industrie demnächst für Lebensmittel- oder Kosmetikfarbstoffe auf den Markt bringen”, weiß Wehrspohn. „Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Pigmenten ist, dass die neuen Farbstoffe nur aus Quarzteilchen, also Sand, bestehen und damit für Mensch und Umwelt völlig unbedenklich sind.” Einen noch besseren photonischen Kristall, einen so genannten invertierten Opal, erhalten die Forscher, wenn sie bestimmte Materialien, etwa Selenide, in die Hohlräume zwischen den Kugeln einfließen lassen und dann die Kugeln durch Hitze oder Ätzverfahren entfernen. Übrig bleibt eine Wabenstruktur: der invertierte Opal.
Andere Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler photonischer Kristalle sind deutlich aufwendiger: Sie nutzen beispielsweise Elektronen- oder Laserstrahlen, um räumliche Strukturen in Lackschichten zu schreiben. Da viele nützliche Anwendungen aber bereits mit zweidimensionalen photonischen Kristallen funktionieren – die also nur in zwei Richtungen eine periodische Variation der optischen Eigenschaften aufweisen –, verwendet die Mehrzahl der heutigen Forscher die Methoden, die am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle perfektioniert wurden: Sie ätzen mit ausgeklügelten Verfahren eine Vielzahl winziger Kanäle in Materialien wie Silizium. Diese Mini-Poren sind extrem regelmäßig angeordnet, haben Durchmesser und Abstände von einigen Hundert Nanometern und können hundertmal tiefer sein, als sie breit sind.
Derartige Bauteile sind ideale photonische Kristalle für Infrarotlicht, wie man es beispielsweise zur Datenübertragung in der Telekommunikation braucht. Silizium ist im Infraroten normalerweise transparent, aber nicht, wenn dasselbe Licht senkrecht zu den Kanälen durch den Kristall geleitet wird: Dann wirkt der Kristall für Wellenlängen, die etwa den doppelten Abstand der Poren entsprechen, wie ein perfekter Spiegel. Licht mit einer solchen Wellenlänge kann sich in dem Kristall nicht ausbreiten.
Diese Spiegeleigenschaft nutzt Prof. Alfred Forchel von der Universität Würzburg, um die „kleinsten Laser der Welt” zu bauen. Je besser die Spiegel, desto kompakter kann der Laser sein – mit photonischen Kristallen schafft Forchel Abmessungen von 0,012 Millimetern, weit weniger als die Abmessungen der bislang gefertigten Laser. Auch andere Bauelemente könnten davon profitieren: „In der heutigen Optik passt etwa ein Bauteil auf einen Kubikmillimeter”, erklärt der Physiker. „Mit photonischen Kristallen werden es künftig tausendmal so viele sein”. Das erklärt auch das große Interesse, das Firmen an dieser Technik haben: So koordiniert der Münchner Chiphersteller Infineon derzeit ein vom Bundesforschungsministerium gefördertes Projekt, das bis 2005 läuft und das Ziel hat, die nötigen Komponenten für eine optische Datenverarbeitung zu entwickeln.
„Die Idee dabei ist, künftig Daten per Glasfaser bis in die Haushalte zu transportieren”, sagt Wehrspohn. Datenraten von einigen Gigabit pro Sekunde bis ins heimische Büro zu senden – zehntausendmal mehr als per ISDN – wären mit Glasfasern machbar, „ aber nur, wenn die dazu nötigen optischen Bauteile für die Datenverarbeitung kompakt und kostengünstig auf einen Chip passen, an den dann einige Hundert Haushalte angeschlossen sind”, sagt der Max-Planck-Wissenschaftler. „Heute sind derartige Geräte extrem teuer und füllen ganze Räume.”
Die photonischen Kristalle sind für solche optischen Chips wie geschaffen: Sie können helfen, die Lichtstrahlen in die unterschiedlichen Frequenzen aufzuteilen, die Information tragenden Lichtimpulse herauszufiltern oder zu addieren, zu verstärken und weiterzuleiten – und das alles extrem kompakt und auf demselben Chipmaterial, das auch für Laser verwendet wird. Wehrspohns Gruppe in Halle baut beispielsweise einen so genannten Dispersionskompensator – ein Bauteil, das das „Zerfleddern” eines Lichtstrahls aufgrund der unterschiedlichen optischen Eigenschaften der in ihm enthaltenen Farben verhindert. „Er ist weniger als ein Tausendstel so klein wie ein mit herkömmlicher Technik realisierter Kompensator”, sagt Wehrspohn. Möglich macht das die Tatsache, dass photonische Kristalle das Licht erheblich stärker reflektieren und brechen als andere Materialien – „und vor allem, dass wir das ganz nach Wunsch einstellen und sogar noch im Betrieb variieren können”.
Denn die photonischen Kristalle bieten den Forschern viele Möglichkeiten, Licht nach Belieben zu manipulieren:
Das Grundmaterial sowie die Durchmesser, Abstände und Anordnungen der Löcher legen fest, welche Wellenlängen des Lichts sich im Kristall ausbreiten können und welche nicht. Damit lässt sich Licht bestimmter Wellenlängen beliebig bremsen oder zum Stillstand bringen.
Darüber hinaus können die Physiker – ebenso wie in den Halbleitern der Elektronik – gezielt „Defekte” in den Kristall einbringen, etwa Löcher weglassen oder Straßen und Weggabelungen (Wellenleiter) konstruieren. An diesen Orten kann dann Licht, das sich normalerweise in diesem Kristall nicht ausbreiten darf, plötzlich doch darin existieren – und das mit extrem hoher Intensität. Wenn – was allerdings rechenintensive Simulationen erfordert – die Anordnung der Defekte richtig gewählt wird, kann Licht zum Beispiel wesentlich schärfer um Kurven geführt werden, als es mit anderen Materialien jemals möglich wäre.
Setzt man eine Lichtquelle, die Licht einer im Kristall verbotenen Wellenlänge aussendet, in einen photonischen Kristall, wird kein einziges solches Lichtteilchen von ihr emittiert. So lässt sich die so genannte spontane Emission von Lasern unterdrücken, die deren dominierende Verlustquelle ist. So könnten wesentlich effizientere Laser gebaut werden.
Bei Leuchtdioden kann man mit photonischen Kristallen das Gegenteil erreichen: möglichst viel Licht aus dem Material herauszubekommen. So haben Forscher am California Institute of Technology in Pasadena bereits demonstriert, dass Leuchtdioden damit erheblich wirkungsvoller würden als heute – allerdings sind die Herstellungsverfahren noch zu teuer, um kommerzielle Geräte zu fertigen.
Die Löcher der photonischen Kristalle müssen nicht unbedingt mit Luft gefüllt sein. „Befänden sich etwa Flüssigkristalle darin, wie sie aus LCD-Displays bekannt sind, könnten wir während des Betriebs die Eigenschaften des Materials ändern, indem wir eine elektrische Spannung anlegen”, sagt Wehrspohn.
Auch für die Sensorik eignen sich die Kristalle gut: Wehrspohns Team arbeitet zurzeit mit den Firmen Dräger in Lübeck, Infineon und dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg an einem Gassensor, der selbst winzige Änderungen der Lichtabsorption von einigen Milliardstel Promille detektieren kann. Derartige Sensoren, die beispielsweise Alkohol in der Atemluft messen können, sind heute mindestens handtellergroße Kästen. Mit photonischen Kristallen ließen sich die Geräte kleiner als eine Fingerkuppe bauen.
Anders als bei vielen neuen Entdeckungen, die oft jahrelang nur Grundlagenforscher interessieren, haben bei den photonischen Kristallen Industrieunternehmen schnell die Chancen erkannt und versuchen, sie für neue Erzeugnisse zu nutzen. Einige Produkte gibt es bereits zu kaufen – etwa Spezialglasfasern aus photonischen Kristallen, die die Lichtweiterleitung gezielt beeinflussen können. Andere, wie die künstlichen Opale, kommen demnächst auf den Markt, gefolgt vielleicht von ersten Sensoren. „ Die Komponenten für die optische Datenverarbeitung könnten dann in fünf Jahren so weit sein”, schätzt Wehrspohn, ebenso die so genannten Interchip-Verbindungen.
Das sind optische Datenverbindungen zwischen den Prozessoren und Speicherchips eines Computers, die einen der entscheidenden Engpässe der Computertechnik beheben könnten: Sie könnten die elektrischen Leitungen ersetzen, über die die Daten nur ein Zehntel so schnell fließen wie innerhalb der Mikrochips. Diese „ Busleitungen” begrenzen die Leistungsfähigkeit heutiger Computer – weitere Verbesserungen der Prozessoren bringen nichts, wenn es nicht gelingt, den Datenaustausch zwischen den Chips zu beschleunigen. Bestünden die Platinen zumindest zum Teil aus photonischen Kristall-Komponenten, könnte der Datenaustausch optisch erfolgen. Das hätte zudem den Vorteil, dass die Mikrochips näher aneinander rücken könnten, weil optische Leitungen anders als elektrische sich nicht gegenseitig stören.
In diesen Geräten würden dann immer noch die Elektronen dazu dienen, die Rechenoperationen auszuführen. Aber mehr und mehr würde die Datenübertragung mit Licht erfolgen. In fernerer Zukunft, sagt Wehrspohn, liegt das, was für viele Physiker der Heilige Gral der Photonik ist: eine rein optische Datenverarbeitung, in der die Lichtteilchen – die Photonen – auch die Rechnungen ausführen. Sie würden die Computer hundert- bis tausendfach schneller machen, wie der Kanadier Sajeev John errechnet hat.
Eine wichtige Komponente dafür könnte vielleicht in 10 bis 15 Jahren funktionieren: der optische Transistor. Dafür bräuchte man einen perfekten dreidimensionalen photonischen Kristall. In ihm ließe sich mit einem Lichtpuls die Durchlässigkeit für einen anderen Lichtstrahl verändern – „dann würden wir tatsächlich Licht mit Licht schalten”, sagt Wehrspohn. Das wäre endgültig der Beginn des photonischen Zeitalters.
Kompakt
Photonische Kristalle beeinflussen die Eigenschaften von Licht durch Interferenz. Als Vorbild für ihre Herstellung dienen Mineralien wie der Opal und die Flügel mancher Schmetterlinge.
Als erste Produkte werden demnächst Farben für Lebensmittel und Kosmetika auf den Markt kommen. Künftig sollen photonische Kristalle eine optische Datenübertragung auf Computerchips ermöglichen.
Würzburger Wissenschaftler bauen aus den „Halbleitern für Licht” die kleinsten Laser der Welt.
Mikrofilter aus Kristall
Die Forscher am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle können die in Silizium geätzten Kanäle eines photonischen Kristalls so verändern, dass sie in der Tiefe in periodischen Abständen ihre Dicke verändern. Dies ermöglicht nicht nur einen dreidimensional strukturierten photonischen Kristall, sondern auch eine neuartige Filtermembran für Mikropumpen. Die Poren einer solchen Membran lassen nach dem Prinzip einer Ratsche nur Partikel einer bestimmten Größe passieren.
Dr. Ulrich Eberl
