DE102004041222A1

DE102004041222A1 - Photonische Kristallstruktur

Info

Publication number: DE102004041222A1
Application number: DE200410041222
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Sandfuchs; Alexander Pesch
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photonische Kristallstruktur, welche ein Substrat 1 aus einem dielektrischen Material und eine photonische Struktur in Form von Gitterstegen 2 umfaßt, wobei die Gitterstege 2 auf dem Substrat 1 angeordnet sind und aus übereinander angeordneten Schichten und H aus niedrigbrechendem und hochbrechendem Material bestehen. Zur Erreichung einer möglichst großen nutzbaren Bandlücke für das Licht in einem bestimmten Spektralbereich sind die Gitterstege 2 aus mindestens einem Schichtsystem 3; 4 aufgebaut, welches aus übereinander angeordneten, niedrigbrechenden und hochbrechenden, dielektrischen Schichten L und H besteht, wobei die unmittelbar auf dem Substrat 1 angeordnete Schicht L aus niedrigbrechendem und die von dem Substrat 1 entfernteste Schicht der Gitterstege 2 aus hochbrechendem Material H bestehen. Zwischen den Schichtsystemen 3 und 4 ist eine Zwischenschicht 5 angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine photonische Kristallstruktur (photonic crystal structure PCS), welche vor allem als frequenzselektiver Reflektor oder als diffraktiver, polarisationsabhängiger Strahlenteiler (DPBS) mit einer extremen Kontraststeigerung zwischen dem transmittierten und dem reflektierten Lichtstrahl in einem breiten Spektralbereich anwendbar sind.
Polarisationsstrahlenteiler der genannten Art werden häufig auf der Basis hochfrequenter Gitter (zero order grating ZOG) hergestellt. Solche Gitter zeichnen sich vor allem dadurch aus, daß die Gitterperiode kleiner als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes ist, für die das Gitter konstruiert ist. Für die Nutzwellenlängen verhält sich ein solches Gitter wie ein doppelbrechendes Medium. Dieses führt zu einem anisotropen Verhalten sowohl in Bezug auf die Reflexion, als auch auf die Transmission des auftreffenden Lichtes, so daß ein derartiges Gitter als Polarisationsstrahlenteiler Verwendung finden kann. Die Gitter sind so ausgeführt, daß parallele Stäbe aus Al oder Ag auf einem Substrat, z. B. aus Glas oder einem anderen geeigneten Werkstoff, angeordnet werden. In Analogie zur Polarisation für den infraroten Spektralbereich werden solche ZOG auch als „wire grid"-Polarisatoren bezeichnet. So ist eine wichtige Kenngröße für diese Gitter der Füllfaktor f als Verhältnis zwischen der Breite des binären Gitters (Stabbreite) ω und der Gitterperiode Λ. Der Quotient aus der Höhe des Gitterstabes und der Stegbreite ω wird allgemein als Aspektverhältnis bezeichnet.
Polarisationsstrahlenteiler in Form von Photonischen Kristallen, im folgenden PC (photonic crystal) genannt, werden als Gitter mit einer Gitterperiode verwendet, welche im Allgemeinen kleiner ist als die oder gleich der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes ist. Für die Nutzwellenlängen verhält sich ein solches Gitter wie ein doppelbrechendes Medium.
So sind auf Grund dieser Tatsache diffraktive optische, als Strahlenteiler verwendete Elemente bekannt, mit denen ein in einem Winkel auffallender unpolarisierter Lichtstrahl in zwei Polarisationskomponenten TE und TM aufgespaltet wird, wobei die TE-Komponente als Nutzlicht in Reflexion r und die TM-Komponente als Nutzlicht in Transmission t auftritt. Diese Polarisationskomponenten werden auch als s- und p-Polarisationen bezeichnet.

In der US-PS 6 243 199 ist ein Polarisationsstrahlenteiler beschrieben, bei welchem auf einem Substrat dünne parallele Gitterstäbe angeordnet sind. Diese dünnen Gitterstäbe wirken zusammen mit den eingestrahlten Lichtwellen in der Weise, daß Licht einer Polarisationsrichtung reflektiert und das Licht einer anderen Polarisationsrichtung transmittiert wird. Diese Gitterstäbe besitzen eine Höhe h von Bruchteilen eines Mikrometers.

In der US-PS 6 532 111 beschriebene, für den sichtbaren Spektralbereich vorgesehene Polarisationsstrahlenteiler umfassen Gitterstäbe aus einer Kombination von metallischen und dielektrischen Schichten, wobei die metallischen Schichten aus Aluminium, die dielektrischen Schichten aus SiO₂, MgF₂ oder TiO₂ bestehen. Diese Vielschichtsysteme sind auf einem Substrat angeordnet. Die Gesamthöhe der Gitter stäbe liegt in der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Spektralbereiches. Die Gitterteilung beträgt 130 nm und die Breite eines Gitterstabes liegt bei 52 nm. Zur Optimierung des Design und zur Erreichung eines möglichst hohen Kontrastes sowohl des Anteils der p-Polarisation (bis 10⁸: 1) als auch des Anteils der s-Polarisation (bis 10⁴: 1) können sowohl die Dicken der Metallschichten als auch die Dicken der dielektrischen Schichten variiert werden.

Ein entscheidender Nachteil dieser diffraktiven, metallodielektrischen Photonischen Bauelemente unter Verwendung metallischer Materialien besteht darin, daß Strahlung absorbiert wird, was zu einer Erwärmung führt und sich nachteilig auf die optischen Eigenschaften der so aufgebauten Bauelemente auswirken kann. Bei einer Anwendung derartiger Bauelemente in Geräten, bei denen mit hohen Lichtintensitäten gearbeitet wird, wie z. B. in digitalen Kinoprojektoren, kann auf diese Weise eine Überhitzung und Zerstörung der Bauelemente eintreten. Weiterhin ist der Kontrast bzw. die Extinktion, d. h. das Verhältnis von Nutzlicht zu Falschlicht der jeweils anderen Polarisationsrichtung, für viele Anwendungen in bildgebenden Systemen zu gering und es existiert keine Möglichkeit, diesen Kontrast variabel den entsprechenden Anforderungen anzupassen.

Photonische Kristallstrukturen sind, analog zu den Kristallstrukturen in einem Halbleiter, welche Energiebänder für Elektronen aufweisen, Strukturen mit Abmessungen im Wellenlängen- und Subwellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes, welche ebenfalls Bänder bzw. Bandlücken besitzen, so daß Moden eines solchen Spektralbereiches in der Struktur propagieren bzw. nicht propagieren können.

In der Publikation von Y. Othera et al. „Photonic crystal polarisation splitters", Electronics Letters, 22^nd July 1999, Vol. 35, No. 15, 1271–1272, wird prinzipiell gezeigt, daß solche Bauelemente sich zur Polarisationstrennung im IR-Bereich eignen, wobei in dieser Publikation eine komplexe und für viele Anwendungen ungeeignete Ausführungsform vorgeschlagen wird.

Die Konstruktion eines DPBS speziell für den visuellen Spektralbereich erfordert jedoch wegen der kürzeren Wellenlänge und des daraus, im Vergleich zum IR-Bereich und zu den kleineren Strukturgrößen der Profile, resultierenden, unterschiedlichen Brechungsindexverhaltens der verwendeten Materialien einen völlig anderen Designansatz, welcher die Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge in diesem Spektralbereich berücksichtigt.

Weiterhin existieren schmalbandige Konstruktionslösungen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich, welche nicht für Anwendungen mit einer breitbandigen Weißlichtquelle geeignet sind ( US 5 748 368 oder US 5 914 811 ).

Aus der Zeitschrift „Journ. of the Optical Society of America" A 14, No. 7, p. 1627–1636 (1997) ist ein schmalbandiger DPBS für den Infrarotbereich (IR-Bereich) des Spektrums bekannt, welcher ein dielektrisches Mehrschichtsystem umfaßt, wobei der Effekt der anisotropen spektralen Reflektivität zur Polarisationsteilung genutzt wird. Hier bestehen die Gitterstege aus einem Mehrfachschichtsystem dielektrischer Materialien. Es ist ein Vielschichtfilm aus mehr als 10 Schichten vorgesehen. Die Gitterkonstante liegt im Bereich der optischen Wellenlängen. Die Gitterstege bestehen aus SiO₂ oder Si und der betrachtete Spektralbereich ist das nahe Infrarot, in welchem sich das Si wie ein Dielektrikum verhält. Erwärmungen treten bei der Anwendung nicht auf.

In der Zeitschrift „Chinese Physical Letters", Vol. 18, No. 8 (2001), Seiten 1082 bis 1084, wird beispielsweise das Polarisationsverhalten von photonischen Bändern in Abhängigkeit von den Strukturgrößen unabhängig von der Wellenlänge beschrieben.

Der Transfer vom infraroten zum visuellen Bereich des Spektrums und die gleichzeitige Erzielung einer sehr breitbandigen Konstruktion sind wegen der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes der dielektrischen Materialien auch hier nicht ohne weiteres durchführbar.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, vorhandene Nachteile des Standes der Technik weitestgehend zu beseitigen und einen breitbandigen, diffraktiven photonischen Kristall für einen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge < 1000 nm zur Strahlenteilung unpolarisierten Weißlichtes zu schaffen, mit welchem die zwei linearen orthogonalen Polarisationszustände, s- und p-Polarisation, des aufgeteilten Strahles mit einer hohen Effizienz der Aufteilung dieser Polarisationszustände und einer Winkelseparation > 90%, sowie eine Reduzierung von Lichtverlusten durch Absorption im Material und durch Beugung in unerwünschte Beugungsordnungen realisiert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer diffraktiven photonischen Kristallstruktur mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches dargelegten Mitteln ge löst. In den weiteren Ansprüchen sind Ausführungsformen und Einzelheiten der Erfindung offenbart.

Um eine möglichst große spektrale Bandlücke zu realisieren, ist es vorteilhaft, daß die Gitterstege aus mehreren übereinander angeordneten Schichtsystemen zusammengesetzt sind, wobei die durch die einzelnen Schichtsysteme generierten Bandlücken jeweils einem Spektralbereich zugeordnet sind und daß die Schichtsysteme durch mindestens eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Gitterstege zwei übereinander angeordnete Schichtsysteme umfassen, von denen ein erstes Schichtsystem aus N₁ ≥ 10 Schichten eine Bandlücke im Spektralbereich von 500 bis 700 nm und ein zweites Schichtsystem aus N₂ ≥ 8 Schichten eine Bandlücke in Spektralbereich von 400 bis 550 nm erzeugt und wenn zwischen dem ersten Schichtsystem und dem zweiten Schichtsystem eine aus zwei Einzelschichten bestehende Zwischenschicht und auf der obersten, an Luft grenzenden Schicht eines jeden Gittersteges eine aus zwei Schichten bestehende Einkopplungsdoppelschicht vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist es auch, wenn als niedrigbrechendes Material NaF, MgF₂ oder CaF₂ und als hochbrechendes Material TiO₂ oder SiO₂ oder Al₂O₃ für die Schichten der Gitterstege vorgesehen ist und wenn das Substrat aus SiO₂.besteht.

Eine vorteilhafte Kristallstruktur ergibt sich, wenn die Gitterstege aus mehr als 16 Schichten bestehen, wenn als hochbrechendes Material TiO₂ und als niedrigbrechendes Material NaF vorgesehen ist, wenn eine mittlere Brechungsin dexdifferenz Δn = n_H – n_L von 0,5 bis 1,5 realisiert ist und wenn die Gitterperiode Λ 80 nm bis 160 nm, der Füllfaktor f = 0,5 und die Schichthöhen für den kurzwelligen Spektralbereich h_L = 108 nm und h_H = 67,5 nm und die Schichthöhen für den langwelligen Spektralbereich h_L = 140 nm und h_H = 90 nm betragen,
worin n der Brechungsindex, n_H der Brechungsindex des hochbrechenden und n_L der Brechungsindex des niedrigbrechenden Materials, h_H die Schichthöhe einer Schicht aus hochbrechendem und h_L die Schichthöhe einer Schicht aus niedrigbrechendem Material sind.

Zur Realisierung einer Bandlücke im Spektralbereich mit Wellenlängen von 180 nm bis 200 nm ergibt sich eine vorteilhafte Kristallstruktur, wenn die Gitterstege aus mehr als sechs Schichten zusammengesetzt sind, wobei als hochbrechendes Material Al₂O₃ oder SiO₂ und als niedrigbrechendes Material CaF₂ oder Kryolith vorgesehen ist.

Vorteilhaft ist es auch, daß eine aus zwei Schichten bestehende Einkopplungsdoppelschicht auf der obersten, an Luft grenzenden hochbrechenden Schicht vorgesehen ist.

So ist es auch von Vorteil, wenn durch Variation der Schichthöhen der Schichtsysteme in den Gitterstegen die nutzbare Bandlücke unterschiedlichen Wellenlängenbereichen angepaßt ist.

Im Sinne eines kompakten und stabilen Aufbaus einer photonischen Kristallstruktur ist es vorteilhaft, daß der Zwischenraum zwischen den Gitterstegen mit Luft oder einem niedrigbrechenden Material ausgefüllt ist.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das den Zwischenraum zwischen den Gitterstegen ausfüllende niedrigbrechende Material das gleiche ist, wie das Material, aus welchem die niedrigbrechenden Schichten der Gitterstege aufgebaut sind.

Um eine verlustarme Ein- und Auskopplung von Strahlung in die Kristallstruktur und in das zwischen den Gitterstegen angeordnete, niedrigbrechende Material zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn Antireflexionsschichten und/oder diffraktive, bidirektionale Strukturen oder Antireflexionsschichten auf der an Luft grenzenden Oberfläche der Kristallstruktur vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist es auch, wenn bidirektionale Antireflexionsschichten auf der an Luft grenzenden Oberfläche der Kristallstruktur vorgesehen sind.

Vorteilhaft können die bidirektionalen Antireflexionsschichten auch eine diffraktive Struktur besitzen. Diese diffraktive Struktur kann eine kegelförmige Struktur besitzen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen photonischen Kristallstruktur mit 30 Einzelschichten,
2a und 2b den Effizienz- und Kontrastverlauf als Funktion der Wellenlänge der ersten Ausführung,
3a und 3b den Effizienz- und Kontrastverlauf als Funktion der Wellenlänge bei einer aus 16 Schichten bestehenden photonischen Kristallstruktur,
4 eine photonische Kristallstruktur, dessen Gitterstäbe aus zwei Schichtsystemen bestehen,
5a bis 5d den Effizienz-, Kontrast- und Absorptionsverlauf als Funktion der Wellenlänge für Kristallstrukturen und
6 eine photonischen Kristallstruktur mit zwischen den Gitterstäben angeordnetem niedrigbrechenden Material.
In 1 ist vereinfacht eine diffraktive, zweidimensionale, photonische Kristallstruktur (DPCS) zur gleichzeitigen Erzeugung einer photonischen Bandlücke im visuellen Spektralbereich für eine TE-Polarisation zur Entspiegelung der photonischen Struktur durch ein Transmissionsband für die TM-Polarisation dargestellt, wie sie z. B. für Polarisationsstrahlenteiler oder Reflektoren angewendet werden kann. Durch eine solche photonische Kristallstruktur werden die Polarisationen entkoppelt und es wird gleichzeitig in unterschiedlichen, im Raum verlaufenden Richtungen eine Verspiegelung und Entspiegelung der Polarisationen erreicht. Ein Parameter, welcher die Breite der photonischen Bandlücke maßgeblich beeinflußt, ist die Differenz der Brechungsindizes Δn = n_H – n_L zwischen dem hoch- und dem niedrigbrechenden Material. Je kürzer die Wellenlänge λ wird, desto schmaler wird bei konstantem Brechungsindex n die Bandlücke. Eine größere Brechungsindexdifferenz Δn führt zu einer größeren Bandlücke. Der Brechungsindex ist jedoch nicht frei wählbar, sondern er hängt von der Wellenlänge λ des Lichtes und dem verwendeten Material ab.
Die in 1 dargestellte Kristallstruktur umfaßt auf einem Substrat 1, vorteilhaft aus einem dielektrischen Material, z. B. Quarz (SiO₂), Gitterstrukturen, vorzugsweise in Form von Gitterstegen 2 mit einer Gitterperiode Λ und einer Stegbreite ω, welche aus einem Schichtsystem aus übereinander angeordneten, niedrigbrechenden und hochbrechenden, dielektrischen Schichten L (low) und H (high) bestehen. Dabei besteht die unmittelbar auf dem Substrat 1 angeordnete Schicht aus niedrigbrechendem oder hochbrechendem Material und die von Substrat entfernteste Schicht H, welche im Allgemeinen an Luft grenzt, aus hochbrechendem Material, beispielsweise aus TiO₂ oder CaF₂. Die Höhen h_L und h_H der dielektrischen Schichten L und H sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des auf die Kristallstruktur eingestrahlten Lichtes festgelegt. Bei dieser photonischen Kristallstruktur werden N = 30 Einzelschichten L und H vorgesehen, wobei als hochbrechendes Material TiO₂ und als niedrigbrechendes Material NaF eingesetzt wird. Mit einer geeigneten Strukturierungs- oder Gitterperiode Λ = 140 nm für ein ZOG, einem Füllfaktor f = 0,5 und der einzelnen Schichthöhen innerhalb des photonischen Kristalls von h_H = 67, 5 nm und h_L = 108 nm wird eine Bandlücke in einem Wellenlängenbereich λ < 1000nm erzeugt und vorteilhaft auf den Spektralbereich 400 nm bis 550 nm erstreckt, wobei die Kristallstruktur durch ein TM-Transmissionband entspiegelt ist.
Der Effizienzverlauf der aus 30 Schichten zusammengesetzten Kristallstruktur als Funktion der Wellenlänge λ, welcher in der 2a in einem Diagrammen dargestellt ist, zeigt, daß für die TE-Polarisation die Effizienz des Nutzlichtes bei ca. 99,8 und die für die transmittierte TM-Polarisation bei mehr als 96% innerhalb der Bandlücke bzw. des Bandes von 400 nm bis 550 nm liegen. Die Absorption von Licht ist damit kleiner als 4%, wobei eine Extinktion in Transmission von mehr als 1 : 10⁴ erreicht wird.
2b zeigt den Kontrastverlauf in Transmission t und Reflexion r für diese Kristallstruktur im kurzwelligen, visuellen Spektralbereich von 400 nm bis 550 nm.
Mit einer solchen Designlösung ist es möglich, den Kontrast in der Transmission für ein solches dielektrisches Schichtsystem, insbesondere durch Erhöhung der Anzahl N der Schichten, variabel zu gestalten, während das Transmissionsband nahezu unverändert erhalten bleibt. Der Kontrast wächst dann exponentiell mit der Anzahl der Schichten N der Gitterstege 2 an. Somit ist die Extinktion des Falschlichtes je nach applikativen Anforderungen erheblich steigerbar, wodurch diese Kristallstruktur flexibel für viele polarisationsoptische Anwendungen einsetzbar wird.
Dieses Designprinzip läßt sich formal zu beliebigen Wellenlängenbereichen verschieben, da das photonische Band linear mit der Wellenlänge λ skaliert. So besteht auch eine mögliche Anwendung als Polarisator oder als Polarisationsstrahlenteiler im UV-Bereich, etwa im Bereich der Wellenlänge λ = 193 nm. Eine photonische Kristallstruktur für diesen Wellenlängenbereich, welche nicht in einer gesonderten Figur dargestellt, jedoch prinzipiell gleichartig aufgebaut ist, wie die in 1 dargestellte Struktur, umfaßt ein aus mindestens N = 16 hoch- und niedrigbrechenden Schichten H und L bestehendes Schichtsystem mit einer Gitterperiode Λ von 60 nm, welche auf dem Substrat aus CaF₂ angeordnet ist. Als niedrigbrechendes Material ist NaF mit einer Schichthö he h_L von 52 nm und als hochbrechendes Material ist Al₂O₃ oder SiO₂ mit einer Schichthöhe h_H von 32 nm vorgesehen.
Wie im Diagramm für die Effizienz einer solchen Kristallstruktur in 3a gezeigt wird, werden Beugungseffizienzen des Nutzlichtes der beiden Polarisationen TE und TM in der 0. Ordnung im UV-Spektralbereich bei etwa 193 nm von mehr als 90 % erreicht. Der in 3b gezeigte Kontrastverlauf in Transmission t und Reflexion r dokumentiert eine Extinktion des Falschlichtes von 1:100 bei dieser Wellenlänge.
Bei der in 4 dargestellten photonischen Kristallstruktur sind die einzelnen Gitterstege 2 aus zwei übereinander angeordneten Schichtsystemen 3 und 4 aufgebaut, welche ebenfalls abwechselnd aus hochbrechenden Schichten H und niedrigbrechenden Schichten L zusammengesetzt sind. Die einzelnen Schichtsysteme 3 und 4 können eine unterschiedliche Anzahl von Schichten L und H aufweisen. Durch diese Designvariante einer photonischen Kristallstruktur kann eine sich über einen größeren Wellenlängenbereich erstreckende Bandlücke realisiert werden. Zwischen den beiden Schichtsystemen 3 und 4 ist eine aus mindestens einer Schicht bestehenden Zwischenschicht 5 angeordnet. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn diese Zwischenschicht 5 aus zwei Schichten besteht.
Um bei dieser photonischen Kristallstruktur (4) eine Bandlücke zu erzeugen, welche sich beispielsweise über den gesamten visuellen Spektralbereich erstreckt, wird für die Schichten L aus niedrigbrechendem Material MgF₂, NaF oder CaF₂ und für die Schichten H aus hochbrechendem Material TiO₂, SiO₂ oder Al₂O₃ verwendet, so daß eine mittlere Bre chungsindexdifferenz Δn von ca. 1,2 realisiert werden kann. Bei einer derartigen Kristallstruktur ist unmittelbar auf einem Substrat aus SiO₂ ein Schichtsystem 4 aus N ≥ 16 Schichten für eine Bandlücke im rot-grünen Spektralbereich von 500 nm bis 700 nm vorgesehen. Durch eine aus zwei Schichten bestehende Zwischenschicht 5 getrennt, ist darüber ein zweites Schichtsystem 3, bestehend aus N ≥ 8 Schichten, für eine Bandlücke im blau-grünen Spektralbereich von 400 nm bis 550 nm angeordnet, wobei dieses Schichtsystem 3 durch eine Einkopplungsschicht 6, welche aus zwei Schichten besteht, nach oben abgeschlossen wird. Diese Einkopplungsschicht 6 sorgt in Verbindung mit der geeignet ausgebildeten Zwischenschicht 5 u. a. dafür, daß das Licht mit der Wellenlänge von 550 nm bis 600 nm zwischen den beiden Schichtsystemen 3 und 4, welche Fabry-Perotähnlichen Resonator bilden, nicht eingeschlossen bleibt, sondern propagieren kann.
So wird mit dem einen Schichtsystem 3 eine Bandlücke im Spektralbereich von 400 nm bis 550 nm und mit dem zweiten Schichtsystem 4, welches unmittelbar auf dem Substrat 1 angeordnet ist, eine Bandlücke im Spektralbereich von 500 nm bis 700 nm erzeugt mit einer Überlappung von 50 nm, so daß insgesamt eine Bandlücke über den Spektralbereich von 400 nm bis 700 nm erreicht wird.
Bei dieser Ausführung kann durch Variation der Schichthöhen h_L und h_H der einzelnen Schichten die Bandlücke je nach Anwendungsgebiet zu kürzeren oder zu längeren Wellenlängen verschoben werden, solange sich die Eigenschaften der verwendeten Materialien in Bezug auf den Brechungsindex nicht so stark ändern. Erhöht man die Anzahl N der Schichten L und H innerhalb der Schichtsysteme 3 und 4, so steigt der Kontrast exponentiell mit der Anzahl N an. Für eine Kristallstruktur mit insgesamt N = 54 Schichten steigt der Kontrast bereits auf über 1 : 10⁷ an, ohne daß dabei die Absorption nennenswert zunimmt.
In 5a ist der Verlauf der Beugungseffizienzen der beiden Polarisationen TE und TM in der 0. Ordnung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm für die Kristallstruktur nach 4 aufgezeichnet. Dabei werden Beugungseffizienzen des Nutzlichtes weit über 90 % erreicht.
5b zeigt den Verlauf der Kontraste der Struktur nach 4 in Transmission t und in Reflexion r im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 800 nm.
In 5c sind die Absorptionen für eine Kristallstruktur mit N = 30 Schichten über den visuellen Wellenlängenbereich dargestellt.
Für eine Kristallstruktur mit N = 54 Schichten ist in der 5d der Kontrastverlauf im visuellen Wellenlängenbereich dargestellt.
Zum Vergleich dazu sind in den 5a bis 5d durch die gestrichelten Kurven die entsprechenden Verläufe von Effizienz, Kontrast und Absorption für einen Polarisator angegeben, welcher ähnlich dem in der US-PS 6 243 199 beschriebenen Polarisator aufgebaut ist.
In 6 ist eine photonische Kristallstruktur mit aus zwei Schichtsystemen 3 und 4 mit Schichten L und H aus niedrig- und hochbrechendem Material bestehenden Gitterstegen 2 dargestellt. Diese Gitterstege 2 sind auf dem Sub strat 1 angeordnet. Zwischen den beiden Schichtsystemen 3 und 4 ist eine aus zwei Schichten bestehende Zwischenschicht 5 vorgesehen. Bei dieser Ausführung einer erfinderischen Kristallstruktur ist der Zwischenraum 7 zwischen den Gitterstegen 2 mit einem niedrigbrechenden Material, beispielsweise NaF, ausgefüllt. Dieses Material kann auch das gleiche sein wie das Material, aus welchen die niedrigbrechenden Schichten L der Gitterstege 2 aufgebaut sind. Es kann auch ein geeignetes anderes niedrigbrechendes Material als Bulkmaterial dafür eingesetzt werden. Auf diese Weise wird eine heterogene Struktur aus niedrigbrechendem Bulkmaterial erreicht, wodurch u. a. auch eine erheblich höhere mechanische Stabilität des so aufgebauten optischen Bauelementes erzielt wird. Zur weitgehend verlustfreien Ein- und Auskopplung des Lichtes in das bzw. aus dem Bulkmaterial und dem Substrat 1 sind geeignete strukturierte oder unstrukturierte Beschichtungen 8 und 9 an den entsprechenden Lichtein- und den Lichtaustrittsflächen vorgesehen. So können für diesen Zweck auch Beschichtungen mit diffraktiven, bidirektional wirkenden Antireflexionsstrukturen, beispielsweise mit kegelförmige Strukturen, vorgesehen werden. Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel einer photonischen Kristallstruktur ist die Beschichtung 8 als eine bidirektional wirkende Struktur ausgebildet. Die Beschichtung 9, welche auf dem Substrat 1 angeordnet ist, ist als eine Antireflexionsschicht ausgebildet, welche in Transmissionsrichtung antireflektierend wirkt.
Bei der erfindungsgemäßen photonischen Kristallstruktur besteht jede Schicht L und H ausschließlich aus dielektrischem Material, wobei für die Materialien mit niedrigem Brechungsindex vor allem SiO₂, MgF₂, Chiolith, Kryolith oder Al₂ O₃ vorgesehen sind. Als hochbrechendes Material können vor allem TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂, Nb₂O₅, ZnS oder andere Lanthanoidfluoride Verwendung finden. Welche Materialien in einer konkreten Kombination hoch- oder niedrigbrechend wirken, hängt erstens von der konkreten Materialkombination in den H- und L-Schichten der Gitterstege 2 und zweitens auch von der Wellenlänge des Lichtes ab.
Für solche dielektrischen Materialschichten ist der Koppelmann-Limit, bei welchem ein endliches Vielschichtsystem als photonische Struktur wirkt, i. a. größer als N = 20 Schichten zu wählen, um einen ausreichend großen Kontrast zu erzielen. Bei den photonischen Kristallstrukturen handelt es sich um Doppelschichtsysteme, die aus alternativ übereinander angeordneten H- und L-Schichten bestehen. Die Gesamthöhe der Gitterstege liegt zwischen 0,35 und 7,0 μm. Zwischen dem Substrat 1 und der angrenzenden Schicht der Gitterstege 2 kann auch noch eine Doppelschicht eingefügt werden, und die Einkopplungs- und die Zwischenschicht kann noch durch Hinzufügen weiterer Doppelschichten modifiziert werden, so daß die oben erwähnte Fabry-Perot-artige Resonanz besser unterdrückt und der Lichtfluß innerhalb der Kristallstruktur verbessert werden kann.
Die Erfindung wurde in Bezug auf besondere Ausführungsformen beschrieben. Es ist für den Fachmann jedoch selbstverständlich, daß Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

1: Substrat
2: Gittersteg
3, 4: Schichtsystem
f: Füllfaktor
5: Zwischenschicht
6: Einkopplungsschicht
7: Zwischenraum
8, 9: Beschichtung
L: niedrigbrechende Schicht
H: hochbrechende Schicht
Λ: Gitterperiode
λ: Wellenlänge
h_L: Schichthöhe (niedrigbrechend)
h_H: Schichthöhe (hochbrechend)
N: Anzahl der Schichten
ω: Gitterstegbreite
n: Brechungsindex
n_L: Brechungsindex (niedrigbrechend)
n_H: Brechungsindex (hochbrechend)

Claims

Photonische Kristallstruktur, umfassend – ein Substrat aus einem dielektrischen Material, – und eine photonische Struktur in Form von Gitterstegen, welche auf dem Substrat angeordnet sind und aus übereinander angeordneten Schichten aus niedrigbrechendem und hochbrechendem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß – zur Erreichung einer möglichst großen nutzbaren Bandlücke bei sehr geringer Absorption für das Licht in einem bestimmten Spektralbereich die Gitterstege (2) aus mindestens einem Schichtsystem (3; 4) aufgebaut sind, welches aus übereinander angeordneten, niedrigbrechenden und hochbrechenden, dielektrischen Schichten (L und H) besteht, wobei die unmittelbar auf dem Substrat (1) angeordnete Schicht aus niedrigbrechendem oder hochbrechendem Material und die von dem Substrat entfernteste Schicht der Gitterstege (2) aus hochbrechendem Material bestehen.
Kristallstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – die Gitterstege (2) aus mehreren übereinander angeordneten Schichtsystemen (3; 4) zusammengesetzt sind, wobei die durch die einzelnen Schichtsysteme (3; 4) generierten Bandlücken jeweils einem Spektralbereich zugeordnet sind, und daß – die Schichtsysteme (3 und 4) durch mindestens eine Zwischenschicht (5) voneinander getrennt sind.
Kristallstruktur nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß – die Gitterstege (2) zwei übereinander angeordnete Schichtsysteme umfassen, von denen ein erstes Schichtsystem (4) aus N₁ ≥ 10 Schichten eine Bandlücke im langwelligen Spektralbereich von 500 bis 700 nm und ein zweites Schichtsystem (3) aus N₂ ≥ 8 Schichten eine Bandlücke in kurzwelligen Spektralbereich von 400 bis 550 nm erzeugt, und daß – zwischen dem ersten Schichtsystem (4) und dem zweiten Schichtsystem (3) eine aus zwei Einzelschichten bestehende Zwischenschicht (5) und auf der obersten, an Luft grenzenden Schicht eines jeden Gittersteges eine aus zwei Schichten bestehende Einkopplungsdoppelschicht (6) vorgesehen sind.
Kristallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß – als niedrigbrechendes Material NaF, MgF₂ oder CaF₂ und als hochbrechendes Material TiO₂ oder SiO₂ oder Al₂O₃ für die Schichten (L; H) der Gitterstege (2) vorgesehen ist und – das Substrat (1) aus SiO₂ besteht.
Kristallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß – die Gitterstege (2) aus mehr als 16 Schichten (L; H) bestehen, – als hochbrechendes Material TiO₂ und als niedrigbrechendes Material NaF vorgesehen ist, – eine mittlere Brechungsindexdifferenz Δn = n_H – n_L von 0,5 bis 1,5 realisiert ist und – die Gitterperiode Λ 80 nm bis 160 nm und der Füllfaktor f = 0,5 betragen, worin n der Brechungsindex, n_H der Brechungsindex des hochbrechenden und n_L der Brechungsindex des niedrigbrechenden Material sind.
Kristallstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – die Schichthöhen für den kurzwelligen Spektralbereich h_L = 108 nm und h_H = 67, 5 nm und die Schichthöhen für den langwelligen Spektralbereich h_L = 140 nm und h_H = 90 nm betragen, worin h_H die Schichthöhe einer Schicht aus hochbrechendem und h_L die Schichthöhe einer Schicht aus niedrigbrechendem Material sind.
Kristallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß – zur Realisierung einer Bandlücke im Spektralbereich mit Wellenlängen von 180 nm bis 200 nm Gitterstege (2) mit mehr als sechs Schichten (L; H) vorgesehen sind, wobei als hochbrechendes Material Al₂O₃ oder SiO₂ und als niedrigbrechendes Material CaF₂ oder Kryolith vorgesehen ist.
Kristallstruktur nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – eine aus zwei Schichten bestehende Einkopplungsdoppelschicht (6) auf der obersten, an Luft grenzenden hochbrechenden Schicht (H) vorgesehen ist.
Kristallstruktur nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – durch Variation der Schichthöhen der Schichtsysteme (3; 4) in den Gitterstegen (2) die nutzbare Bandlücke unterschiedlichen Wellenlängenbereichen angepaßt ist.
Kristallstruktur nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – der Zwischenraum (7) zwischen den Gitterstegen (2) mit Luft oder einem niedrigbrechenden Material ausgefüllt ist.
Kristallstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß – das den Zwischenraum (7) zwischen den Gitterstegen (2) ausfüllende niedrigbrechende Material das gleiche ist, wie das Material, aus welchem die niedrigbrechenden Schichten (L) der Gitterstege (2) aufgebaut sind.
Kristallstruktur nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – zur verlustarmen Ein- und Auskopplung von Strahlung in die Kristallstruktur und in das zwischen den Gitterstegen (2) angeordnete, niedrigbrechende Material Antireflexionsschichten und/oder diffraktive, bidirektionale Strukturen oder Antireflexionsschichten auf der an Luft grenzenden Oberfläche der Kristallstruktur vorgesehen sind.
Kristallstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß – bidirektionale Antireflexionsschichten auf der an Luft grenzenden Oberfläche der Kristallstruktur vorgesehen sind.
Kristallstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß – die bidirektionalen Antireflexionsschichten eine diffraktive Struktur besitzen.