DE10116500A1

DE10116500A1 - Photonische Kristalle

Info

Publication number: DE10116500A1
Application number: DE10116500A
Authority: DE
Inventors: Walter Heitmann
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2002-10-17
Also published as: US20040109657A1; JP2004532427A; CA2439191A1; US7359605B2; EP1386187A2; WO2002082135A2; WO2002082135A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Kritalle, d. h. dreidimensionale dielektrische Strukturen, die für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich unabhängig von der Einfallsrichtung undurchlässig sind. Ein erfindungsgemäßer photonischer Kristall weist zum Beispiel eine matrixartige Anordnung von freistehenden dielektrischen Mikrosäulen oder -zylindern mit sehr kleinen Durchmessern auf. Diese sin auf einem Substrat aufgebracht, dessen thermischer Ausfehnungskoeffizient im Temperaturbereich zwischen -60 DEG C und 85 DEG C um zumindest 50% kleiner als der Betrag des Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglas ist. Hierdurch wird auch bei großen Temperaturschwankungen die thermische Ausdehnung des Substrats gering gehalten; damit ändert sich aber auch der Abstand der von dem Substrat getragenen Mikrosäulen bzw. -zylinder des photonischen Kristalls nur wenig, so daß die optischen Eigenschaften wesentlich stabiler als die von photonischen Kristallen mit Quarzglassubstrat sind. Als Substrat wird vorzugsweise Glaskeramik, z. B. ZERODUR·R· verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Kristalle.

Unter photonischen Kristallen werden allgemein dreidimensionale dielektrische Strukturen verstanden, die für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich unabhängig von der Einfallsrichtung undurchlässig sind. Der Wellenlängenbereich wird dabei unter anderem wesentlich durch die Anordnung, Form und Größe der Strukturen bestimmt. Ein wichtiger Typ von photonischen Kristallen wird durch eine regelmäßige, zum Beispiel matrixartige, Anordnung von freistehenden dielektrischen Mikrosäulen oder -zylindern mit sehr kleinen Durchmessern und einer relativ dazu großen Höhe gebildet. Für sichtbares und IR-Licht liegen typische Durchmesser von Mikrozylindern im Bereich von hundert bis zu einigen hundert Nanometern.

Zur Herstellung von photonischen Kristallen mit Mikrozylindern ist ein Substrat notwendig, das die Mikrozylinder trägt. Hierzu wurde unter anderem wegen der mechanischen und chemischen Stabilität bisher meist Quarzglas verwendet. Im folgenden wird unter "photonischen Kristallen" die dreidimensionale dielektrische Struktur mit Mikrosäulen oder -zylindern einschließlich eines sie tragenden Substrates verstanden.

Durch ihre ungewöhnlichen Eigenschaften eignen sich photonische Kristalle sehr gut zur Herstellung von optischen Bauelementen wie sehr schmalbandigen Filtern, modulierbaren Filtern, Add-Drop-Filtern und integriert-optischen Strukturen mit 90°-Umlenkung. Solche Bauelemente werden bei der DWDM- Technik (Dense Wavelength Division Multiplexing) zur übertragung von Daten in Lichtwellenleitern benutzt, bei der als Träger elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlängen benutzt wird. Zur Zeit beträgt der Kanalabstand zwischen gleichzeitig genutzten, benachbarten Kanälen 0,4 nm, wobei Wellenlängen im Bereich um 1550 nm genutzt werden. In Zukunft wird zur Erzielung einer höheren Bandbreite bei der Übertragung über einen Lichtleiter der Kanalabstand auf 0,2 nm oder weniger sinken. Dies erfordert schon jetzt, erst recht aber für die Zukunft, Bauelemente mit sehr großer Stabilität der Filtereigenschaften, insbesondere auch bei großen Temperaturschwankungen.

Es ist jedoch bekannt, daß sich bei großen Temperaturschwankungen die optischen Eigenschaften photonischer Kristalle und damit insbesondere auch die Durchlaßwellenlänge von Filtern auf der Basis photonischer Kristalle deutlich ändern können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, photonische Kristalle bereitzustellen, die im technisch relevanten Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C im Vergleich zu bekannten photonischen Kristallen mit Quarzglassubstrat stabilere optische Eigenschaften aufweisen.

Die Aufgabe wird gelöst durch photonische Kristalle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein erfindungsgemäßer photonischer Kristall weist ein Substrat auf, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C um zumindest 50% kleiner als der Betrag des Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglas ist. Hierdurch wird auch bei großen Temperaturschwankungen die thermische Ausdehnung des Substrats gering gehalten; damit ändert sich aber auch der Abstand der von dem Substrat getragenen Mikrosäulen bzw. - zylinder des photonischen Kristalls nur wenig. Daher ändern sich aber auch die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls nur wenig, so daß die optischen Eigenschaften wesentlich stabiler als die von photonischen Kristallen mit Quarzglassubstrat sind.

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und/oder des Quarzglases sind z. B. lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten.

Bevorzugt ist der Betrag des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats im, vorzugsweise gesamten, Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C um zumindest 50% kleiner als der Betrag des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglas.

Bevorzugt ist ein Substrat mit einem Grundkörper aus einer Glaskeramik, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C kleiner als 5 × 10^-7/°C, kleiner als 4 × 10^-7/°C, kleiner als 3 × 10^-7/°C, kleiner als 2 × 10^-7/°C, besonders bevorzugt kleiner als 1 × 10^-7/°C und am meisten bevorzugt kleiner als 5 × 10^-8/°C oder kleiner als 2 × 10^-8/°C ist. Eine Glaskeramik mit Ausdehnungskoeffizienten innerhalb der letztgenannten beiden Bereiche ist allerdings aufwendig in der Herstellung.

Glaskeramiken sind im Grundsatz Verbundwerkstoffe mit einer amorphen Glasphase und darin eingelagerten Kristallen, die durch Keramisierung, d. h. gesteuerte Entglasung (Kristallisation), von Gläsern hergestellt werden. Sie entstehen durch Wärmebehandlung eines geeigneten Glases, in welchem dadurch Kristalle erzeugt werden. Hierfür wird bei der Herstellung zunächst geeignetes Roh-Material geschmolzen, rektifiziert, homogenisiert und dann in heißem Zustand geformt. Nach dem Abkühlen und Vergüten des glasartigen Rohlings folgt eine Temperaturbehandlung, bei welcher die Kristallisation stattfindet. Während der Temperaturbehandlung bilden sich Kristallisationskerne in dem Glas an denen nachfolgend bei einer etwas höheren Temperatur die Kristalle wachsen.

Die erfindungsgemäße Glaskeramik enthält zu mehr als 50 Gew.-% SiO₂. Darüber hinaus kann sie verschiedene Zuschlagstoffe enthalten, insbesondere z. B. Calciumoxid (CaO), Natriumoxid (Na2O) mit z. T. größeren Mengen von Bortrioxid (B2O3), Aluminiumoxid (Al2O3), Bleioxid (PbO), Magnesiumoxid (MgO), Bariumoxid (BaO) oder Kaliumoxid (K2O). Da das Substrat keine besonderen optischen Eigenschaften aufweisen muß, können bei der Wahl der Zuschlagstoffe ihr Einfluß auf die optischen Eigenschaften unberücksichtigt bleiben. Glaskeramiken sind mechanisch und chemisch sehr stabil, was bei der Herstellung von photonischen Kristallen, aber auch bei ihrer späteren Verwendung von Vorteil ist.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen photonischen Kristalle mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Durch die erfindungsgemäße Wahl des Substratmaterials, das auf SiO₂ basiert, können die erfindungsgemäßen photonischen Kristalle auch mit allen bekannten Verfahren zur Herstellung von photonischen Kristallen mit Quarzglassubstraten hergestellt werden.

Dies hat den großen Vorteil, daß zur Herstellung der erfindungsgemäßen photonischen Kristalle keine völlige Neuentwicklung eines Verfahrens mit ansonsten grundsätzlich anderen Schritten notwendig ist, sondern bei der Entwicklung auf der Grundlage des bekannten Verfahren aufgebaut werden kann.

Beispielsweise kann additive Lithographie zur Herstellung verwendet werden. Dieses Verfahren ist in SPIE Vol. 2849 (1996), Seite 248 ff. genauer erläutert, wobei der Inhalt des vorstehenden Artikels hiermit vollumfänglich zum Gegenstand der Offenbarung dieser Beschreibung gemacht wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen beschrieben.

Bevorzugt weist die Glaskeramik eine Glasphase und eine darin verteilte kristalline Phase mit einem thermischen Ausdehungskoeffizienten auf, der im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C kleiner als der der Glasphase ist. Besonders bevorzugt wird eine Glaskeramik verwendet, deren kristalline Phase wenigstens in Teilen des Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Verbundmaterials unter anderem stark von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten seiner Komponenten abhängt, ergibt sich so ein besonders kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient der Glaskeramik.

Der Gewichtsanteil der kristallinen Phase beeinflußt auch den thermischen Ausdehungskoeffizienten der Glaskeramik. Bevorzugt wird daher in dem Fall, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der kristallinen Phase kleiner als der der Glasphase, insbesondere negativ ist, der Anteil der kristallinen Phase so hoch gewählt, daß im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C die thermische Ausdehnung besonders klein ist. Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil der kristallinen Phase an der Glaskeramik zwischen 60 und 90%, besonders bevorzugt 70 und 80%.

Damit in der Glaskeramik die thermische Ausdehnung an allen Stellen ungefähr gleich groß ist und dadurch thermische Spannungen weitgehend vermieden werden, ist bevorzugt die kristalline Phase weitgehend homogen in der Glaskeramik verteilt.

Besonders geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäßen photonischen Kristalle und damit bevorzugt ist die Glaskeramik ZERODUR® der Firma Schott (Mainz, Deutschland), die einen sehr geringen thermischen Ausdehungskoeffizienten von weniger als 10^-7/°C = 0,1 µm/°C im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C und eine sehr homogene und feine Verteilung der kristallinen Phase aufweist, wodurch eine einfache Verarbeitung und sehr gute Eigenschaften des Substrats erzielbar sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen photonischen Kristalls und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des photonischen Kristalls aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen photonischen Kristall 1, welcher mittels additiver Lithografie mit elektronenstrahlinduzierter Ablagerung oder Deposition einer dreidimensionalen Struktur 2 auf ein Substrat 3 hergestellt wurde. Zur Herstellung wurde ein Strahlstrom von 100 pA bis 200 pA verwendet.

Die dreidimensionale Struktur 2 ist auf dem Substrat 3 angeordnet und haftet auf dem Substrat. Das abgelagerte Material ist eine Zusammensetzung von im wesentlichen kugelförmigen metallischen Nanokristallen in einer Matrix aus isolierendem amorphen Kohlenstoff oder Polymeren, gewachsen aus CH_X-Radikalen. Beispielhaft finden Platin und/oder Gold als Metalle Verwendung.

Die beispielhafte dreidimensionale Struktur 2 umfasst eine Vielzahl von im wesentlichen zylinderförmigen, in einer zweidimensional regelmäßigen Matrix angeordneten Mikrosäulen oder Stäben 4 aus Me₂Au. Der Bandabstand beträgt 1,38 eV, entsprechend einer Photonenwellenlänge von 900 nm. Die Länge h der Stäbe beträgt etwa 2000 nm. Die Struktur 2 ist, bzw. die Stäbe 4 sind nanokristallin oder amorph.

Bezugnehmend auf Fig. 2 beträgt der Durchmesser d der Stäbe 4 etwa 140 nm und der Abstand a der Stäbe 4 innerhalb der regelmäßigen matrixförmigen Anordnung in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils 320 nm von Zentrum zu Zentrum benachbarter Stäbe 4.

Variationen der Abmessungen, z. B. ein Durchmesser der Stäbe im Bereich von 80 nm bis 300 nm, sind ebenfalls herstell- und/oder verwendbar. Ebenso sind andere Formen als zylindrische Stäbe herstell- und/oder verwendbar

Alternative Herstellverfahren für die Herstellung der photonischen Kristalle sind

- chemisch assistiertes Ionenstrahlätzen,
- Röntgen-Tiefenlithografie und Abformen,
- optisch lithografisches Bonden (sog. On Top-Bonding),
- dreidimensionale Laserdeposition oder
- Elektronenstrahl Nanolithografie.

Es ist besonders vorteilhaft, ein Substrat, insbesondere eine Glaskeramik, welches Mikrokristalle einer, vorzugsweise mittleren, Größe im Bereich von etwa 50 nm umfaßt oder aus solchen besteht, zu verwenden. Andere Mikrokristallgrößen als die genannte, z. B. kleiner oder größer als 50 nm sind aber ebenfalls im Rahmen der Erfindung verwendbar.

Weiter wird vorzugsweise ein Substrat 2 verwendet, welches chemisch, mechanisch und/oder in Bezug auf die Polierbarkeit dem Quarzglas im wesentlichen ähnlich oder sogar identisch ist. Das Substrat 2 weist eine glatte, z. B. polierte Oberfläche auf, was in Zusammenwirkung mit den dreidimensionalen Strukturen des erfindungsgemäßen photonischen Kristalls besonders vorteilhaft ist.

Claims

1. Photonischer Kristall, gekennzeichnet durch ein Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C höchstens halb so groß ist, wie der Betrag des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzglas.

2. Photonischer Kristall nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus Glaskeramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C kleiner als 5 × 10^-7/°C ist.

3. Photonischer Kristall nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik eine Glasphase und eine darin verteilte kristalline Phase mit einem thermischen Ausdehungskoeffizienten, der im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C kleiner als der der Glasphase ist, aufweist.

4. Photonischer Kristall nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der kristallinen Phase wenigstens in Teilen des Temperaturbereichs zwischen -60°C und 85°C negativ ist.

5. Photonischer Kristall nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil der kristallinen Phase an der Glaskeramik zwischen 60 und 90% liegt.

6. Photonischer Kristall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil der kristallinen Phase an der Glaskeramik zwischen 70 und 80% liegt.

7. Photonischer Kristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kristalline Phase homogen in der Glaskeramik verteilt ist.

8. Verfahren zur Herstellung photonischer Kristalle, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat der Kristalle ein Substrat aus Glaskeramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Temperaturbereich zwischen -60°C und 85°C kleiner als 10^-7/°C ist, verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik eine Glasphase und eine darin verteilte kristalline Phase mit einem thermischen Ausdehungskoeffizienten, der kleiner als der der Glasphase ist, aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der kristallinen Phase negativ ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil der kristallinen Phase an der Glaskeramik zwischen 60 und 90% liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil der kristallinen Phase an der Glaskeramik zwischen 70 und 80% liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die kristalline Phase homogen in der Glaskeramik verteilt ist.