DE102014215770A1

DE102014215770A1 - Optische Einrichtung zur Manipulation von Lichtstrahlen

Info

Publication number: DE102014215770A1
Application number: DE102014215770.6A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Optische Einrichtung zur Manipulation von ersten Lichtstrahlen, umfassend: – einen photonischen Kristall, wobei der photonische Kristall eine Mehrzahl von im Wesentlichen regelmäßig sowie aufrecht auf einem Substrat angeordneten Stäben aufweist – eine Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße auf oder in wenigstens einem Teil des photonischen Kristalls, – eine Steuereinrichtung, ausgestaltet zur Aufnahme eines Steuersignals und zur Ansteuerung der Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße dergestalt, dass in Abhängigkeit vom Steuersignal wenigstens zwei verschiedene Zustände der Einflussgröße einstellbar sind, wobei die Stäbe ein erstes Material aufweisen, das bei Veränderung der Einflussgröße eine Änderung des Brechungsindex erfährt.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zur Manipulation von ersten Lichtstrahlen, umfassend einen photonischen Kristall.
Photonische Kristalle bestehen aus regelmäßigen Materialstrukturen, die durch ihren Aufbau eine periodische Variation des Brechungsindex aufweisen. Diese Materialstrukturen beeinflussen die Ausbreitung von Licht in ihrem Inneren in besonderer Weise und erlauben so optische Einrichtungen, die mit einfachen transparenten Materialien nicht möglich sind. Beispielsweise können photonische Kristalle eine optische Bandlücke aufweisen. Licht entsprechender Wellenlängen kann sich im photonischen Kristall nicht ausbreiten. Damit lassen sich beispielsweise sehr verlustarme Wellenleiter für die Telekommunikation aufbauen. Bedingt durch die Herstellung aus den unweigerlich vorgegebenen Materialien und mit vorgegebenen Strukturen sind die Eigenschaften der optischen Einrichtung dabei nachteilig bereits durch die Herstellung festgelegt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Einrichtung anzugeben, die den eingangs genannten Nachteil überwindet.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße optische Einrichtung zur Manipulation von ersten Lichtstrahlen umfasst einen photonischen Kristall, wobei der photonische Kristall eine Mehrzahl von im Wesentlichen regelmäßig sowie aufrecht auf einem Substrat angeordneten Stäben aufweist. Weiterhin umfasst die optische Einrichtung eine Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße auf oder in wenigstens einem Teil des photonischen Kristalls sowie eine Steuereinrichtung, ausgestaltet zur Aufnahme eines Steuersignals und zur Ansteuerung der Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße dergestalt, dass in Abhängigkeit vom Steuersignal wenigstens zwei verschiedene Zustände der Einflussgröße einstellbar sind. Dabei weisen die Stäbe ein erstes Material auf, das bei Veränderung der Einflussgröße eine Änderung des Brechungsindex erfährt.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine Variation des Brechungsindex im Material eine Veränderung der optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls bewirkt und dass diese Variation des Brechungsindex über die gesteuerte Veränderung einer Einflussgröße erzielbar ist, wenn das erste Material entsprechende Eigenschaften aufweist. Hiermit lässt sich im laufenden Betrieb eine Veränderung der optischen Eigenschaften des Materials und damit des photonischen Kristalls erwirken und somit eine sehr vielseitige optische Einrichtung schaffen. Speziell in der Kombination mit einem photonischen Kristall, der eine Struktur aus regelmäßig sowie aufrecht auf einem Substrat angeordneten Stäben aufweist, ist dabei besonders vorteilhaft, da diese Art von photonischem Kristall eine besonders gute Einkopplung von Lichtstrahlen erlaubt und daher ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis für die optische EInrichtung ermöglicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind:

– Die Einflussgröße kann die Temperatur sein. In diesem Fall ist die Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße eine Beheizungs- und/oder Kühleinrichtung, beispielsweise ein elektrischer Widerstandsheizer, ein Peltierelement oder auch eine optische Beheizungseinrichtung für die Bestrahlung mit Infrarotlicht. Mittels der Steuereinrichtung ist damit die Einstellung von wenigstens zwei verschiedenen Temperaturen für einen Teil des photonischen Kristalls oder den gesamten photonischen Kristall möglich. Eine der Temperaturen kann dabei der Raumtemperatur entsprechen oder einer Temperatur, die sich ohne Einflussnahme ergibt, während die andere Temperatur eine erhöhte oder abgesenkte Temperatur gegenüber der Umgebungstemperatur sein kann. Auch die Einstellung von mehr als zwei verschiedenen Temperaturen für verschiedene Teilbereiche des photonischen Kristalls ist möglich bei entsprechender Gestaltung der Beheizung.
– Vorteilhafte erste Materialien, wenn die Einflussgröße die Temperatur ist, sind Metalloxide, insbesondere VO2 (Vanadiumdioxid) oder WO3 (Wolframoxid). Diese Materialien zeigen eine erhebliche Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur und erlauben somit eine Einflussnahme auf die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls von großer Amplitude oder je nach Zielsetzung eine Beeinflussung mit nur geringen Temperaturunterschieden, somit also eine effiziente Einflussnahme.
– Die Einflussgröße kann eine elektrische Spannung oder ein elektrisches Feld sein. In diesem Fall umfasst die Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße beispielsweise Elektroden im Bereich des photonischen Kristalls. Beispielsweise können flächige Elektroden unter einem Teil des photonischen Kristalls angeordnet sein. Alternativ kann eine Elektrode auch schmal gestaltet sein und so unterhalb einer einzelnen Reihe von Stäben, dass die Beeinflussung im Wesentlichen auf diese Reihe von Stäben begrenzt ist. Von solchen Elektroden können auch mehrere vorhanden sein, um eine voneinander unabhängige Beeinflussung von mehreren Reihen von Stäben zu ermöglichen. Auch eine Beeinflussung einzelner Stäbe mit entsprechend gestalteten Elektroden ist möglich. Je nach Gestaltung ist es damit möglich, bestimmte Muster oder sogar beliebige Muster im photonischen Kristall zu erzeugen.
– Vorteilhafte erste Materialien, wenn die Einflussgröße eine elektrische Spannung oder ein elektrisches Feld ist, sind beispielsweise Flüssigkristallmaterialien oder polymerstabilisierte Flüssigkristallmaterialien. Diese zeigen eine merkliche Änderung des Brechungsindex bei Beeinflussung mit einem elektrischen Feld und erlauben somit eine Einflussnahme auf die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls.
– Die Einflussgröße kann ein magnetisches Feld sein. In diesem Fall umfasst die Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße beispielsweise Elektromagnete im Bereich des photonischen Kristalls. Analog zu Elektrode können diese ausgestaltet sein, nur bestimmte Stäbe des photonischen Kristalls zu beeinflussen.
– Vorteilhafte erste Materialien, wenn die Einflussgröße ein magnetisches Feld ist, sind beispielsweise La_2/3Ca_1/3MnO_{3,ferro-magnetischeFluide} (Fe^xO^x + Polymer), CuFe²O⁴, ZnFe²O⁴ oder Terfenol-D und Pb(Zr, Ti)O₃. Diese Materialien zeigen eine merkliche Änderung des Brechungsindex bei Beeinflussung mit einem Magnetfeld und erlauben somit eine Einflussnahme auf die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls.
– Die Einflussgröße kann eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung sein, insbesondere zweiten Lichtstrahlen. Die zweiten Lichtstrahlen dienen dabei der Veränderung der Eigenschaften des photonischen Kristalls, während die ersten Lichtstrahlen diejenigen sind, die vom photonischen Kristall manipuliert werden. Es kann beispielsweise eine Messung erfolgen, wie die ersten Lichtstrahlen durch den photonischen Kristall treten. Für die zweiten Lichtstrahlen wird hingegen nicht gemessen, was mit ihnen passiert; sie werden lediglich als aktives Steuerelement eingesetzt. Die zweiten Lichtstrahlen können beispielsweise mittels Leuchtdioden oder Laserdioden erzeugt werden. Dabei werden die Lichtquellen aktiv angesteuert, d.h. an- und ausgeschaltet. Alternativ kann auch eine Lichtquelle verwendet werden, die nicht abgeschaltet wird, sondern mittels steuerbarer Filter gezielt auf Teile des photonischen Kristalls einwirken kann, beispielsweise mit einer Matrix von Flüssigkristallelementen.
– Vorteilhafte erste Materialien, wenn die Einflussgröße elektromagnetische Strahlung ist, sind beispielsweise hybride photochrome Materialien und Polymere wie beispielsweise P(MMA_0,43-co-GMA_0,57-PNCA).
– Die Einflussgröße kann die chemische Wirkung eines weiteren Materials sein. Beispielsweise können Gase oder Flüssigkeiten auf die Stäbe des photonische Kristalls einwirken und einer gezielte Veränderung der optischen Eigenschaften bewirken.
– Die optische Einrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass der gesamte photonische Kristall von der Änderung der Einflussgröße erfasst ist. Alternativ kann die optische Einrichtung derart ausgestaltet sein, dass nur Teile des photonischen Kristalls von der Änderung der Einflussgröße erfasst sind. Es ist auch möglich, dass die Einflussnahme so steuerbar ist, dass nach Belieben Teile des photonischen Kristalls oder der gesamte photonische Kristalls von der Änderung erfassbar ist.
– Die Optische Einrichtung kann ausgestaltet sein, dass zwei oder mehr unterschiedliche Veränderungen der Einflussgröße zur gleichen Zeit für unterschiedliche Teilbereiche des photonischen Kristalls erzeugbar sind.
– Die Optische Einrichtung kann beispielsweise ausgestaltet sein, die Veränderung der Einflussgröße individuell steuerbar für einzelne Stäbe oder Stabgruppen wenigstens eines Teilbereichs des photonischen Kristalls herbeiführen zu können, insbesondere individuell steuerbar für jeden einzelnen Stab des Teilbereichs.
– Das erste Material ist insbesondere ein Material, bei dem die Änderung der Einflussgröße eine Änderung des Brechungsindex um wenigstens 10^–5, insbesondere um wenigstens 10^–4 bewirkt. Die Zahlen geben dabei absolute Änderungen an. In einer besonderen Ausgestaltung bewirkt die Änderung der Einflussgröße eine Änderung des Brechungsindex um wenigstens 0,5 % bezogen auf den Brechungsindex vor der Änderung der Einflussgröße, insbesondere wenigstens 10 %.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen schematisch dargestellt
1 einen photonischen Kristall,
2 Transmissionskurven,
3 einen Gassensor mit dem photonischen Kristall,
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen beispielhaften photonischen Kristall 10 gemäß der Erfindung. Er umfasst ein Substrat 11 und eine Vielzahl von Stäben 12, die aufrecht stehend auf dem Substrat 11 angeordnet sind. Die Stäbe 12 sind dabei in einem regelmäßigen rechteckigen oder quadratischen Muster angeordnet. In der Nähe des photonischen Kristalls 10 befindet sich beispielsweise eine Beheizungseinrichtung oder eine Beleuchtungseinrichtung. Beispielsweise können elektrisch ansteuerbare Widerstandsheizer auf der Unterseite des Substrats 11 angeordnet sein. Alternativ können Leuchtdioden oberhalb des photonischen Kristalls angeordnet sein. Diese zusätzlichen Einrichtungen manipulieren eine Einflussgröße wie elektrisches Feld, Temperatur, Bestrahlung und sorgen damit für eine Veränderung des Brechungsindex im photonischen Kristall, wobei entweder Teile oder der ganze Kristall beeinflusst wird.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die optische Einrichtung derart ausgestaltet, dass ein Wechsel der Transmission für die ersten Lichtstrahlen zwischen im Wesentlichen keiner Transmission und im Wesentlichen vollständiger Transmission ansteuerbar ist. Damit agiert der photonische Kristall nach Art eines steuerbaren Shutters. Zur Anpassung des Brechungsindex wird der gesamte photonische Kristall erwärmt. Als Material der Stäbe des photonischen Kristalls wird zweckmäßig VO2 verwendet, das auf Temperaturänderungen mit einer erheblichen Variation des Brechungsindex reagiert.
2 zeigt Kurven für die Transmission durch den photonischen Kristall für einen Wellenlängenbereich. Eine erste Kurve 21 gilt dabei für einen ersten Brechungsindex, während eine zweite Kurve 22 für einen zweiten Brechungsindex gilt, der sich nach Erwärmung des photonischen Kristalls einstellt. Um als Shutter wirken zu können, muss die Änderung des Brechungsindex durch die Einflussnahme durch Erwärmung an die Wellenlänge der ersten Lichtstrahlen angepasst sein. Beispielsweise funktioniert mit den Transmissionskurven gemäß 2 der photonische Kristall als Shutter im Bereich von 6,5 µm Wellenlänge oder bei etwa 7,3 µm. Bei einer Wellenlänge von ca. 6,2 µm hingegen ist die Transmission mit oder ohne Änderung des Brechungsindex, d.h. mit oder ohne Erwärmung nahezu gleich.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Veränderung der optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls periodisch durchgeführt. Dadurch entsteht für passende Wellenlängen der ersten Lichtstrahlen das Verhalten eines Choppers, also einer periodischen praktisch vollständigen Blockierung der Transmission abwechselnd mit hoher Transmission. Dabei kann es in Abhängigkeit von der gewünschten Chopper-Frequenz sein, dass eine Erwärmung des photonischen Kristalls zur Steuerung des Brechungsindex zu langsam ist, um die Chopper-Funktion zuverlässig erfüllen zu können. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, eine andere Art der Beeinflussung zu wählen. So kann beispielsweise in diesem Fall als Beeinflussung eine Beleuchtung verwendet werden. Sind die Stäbe aus einem photochromen Material, ändern sie ihren Brechungsindex bei Beleuchtung. Die Beleuchtungsstärke lässt sich schneller variieren als die Temperatur.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Veränderung der optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls in kontinuierlicher Weise durchgeführt. Beispielsweise wird wieder der Erwärmung des photonischen Kristalls zur Beeinflussung verwendet wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Temperatur wird jedoch nicht nur zwischen zwei diskreten Werten gewechselt, sondern kontinuierlich zwischen diesen Extremwerten. Dadurch ändern sich die Transmissionseigenschaften des photonischen Kristalls ebenfalls kontinuierlich und die Transmissionseigenschaften können somit zwischen den Extremwerten „gescannt“ werden. Bei sehr frequenzsensitiven Anwendungen kann dieses Verhalten zum Feintuning verwendet werden.
In einem vierten Ausführungsbeispiel wird ein Gassensor 30 nach dem Prinzip der Absorptionsmessung realisiert. 3 zeigt einen Prinzipaufbau für den Gassensor 30. Der Gassensor 30 umfasst eine breitbandige Lichtquelle 31. Diese strahlt Licht 33 auf einen photonischen Kristall 10, der wiederum regelmäßig angeordnete Stäbe 12 auf einem Substrat 11 aufweist. Zu vermessendes Gas (in 3 nicht dargestellt) ist in den Bereich des photonischen Kristalls 10 eingebracht und durchdringt somit die Zwischenräume zwischen den Stäben 12.
Das Licht 33 interagiert beim Durchtreten durch den photonischen Kristall 10 mit dem zu vermessenden Gas und wird dabei teilweise von diesem absorbiert. Die dadurch auftretende Änderung der Intensität des Lichts 33 wird als Sensorsignal aufgenommen.
In einem photonischen Kristall 10 ist bedingt durch die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 10 eine Verringerung der Gruppengeschwindigkeit des Lichts 33 möglich. Dabei passiert die Verringerung der Gruppengeschwindigkeit nicht frequenzübergreifend, sondern nur in engem Bereich um ausgewählte Frequenzen herum. Ist eine solche Frequenz diejenige, die für die Gasdetektion interessant ist, d.h. eine Frequenz nahe einer Absorptionsfrequenz des zu vermessenden Gases, dann sorgt der Effekt des „slow light“ für eine starke Interaktion des Lichts 33 mit dem Gas, so dass ein für die verwendete Absorptions-Strecke hohes Absorptions-Signal gewonnen werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Frequenz oder die Frequenzen, bei denen der Effekt des „slow light“ auftritt, durch die Beeinflussung des photonischen Kristalls 10 verschoben werden kann, um eine Übereinstimmung mit einer oder mehrerer der Absorptionslinien des zu vermessenden Gases zu erreichen.
Im photonischen Kristall 10 verändertes Licht 34 verlässt den photonischen Kristall 10 und trifft weitgehend auf einen Detektor 32, der die Lichtintensität in ein elektrisches Signal umwandelt und zur Auswertung an eine in 3 nicht dargestellte Auswerteeinrichtung weitergibt. Eine Einflussnahme auf den Brechungsindex kann hier beispielsweise dazu verwendet werden, das Spektrum der vom photonischen Kristall 10 transmittierten Wellenlängen kontinuierlich zu verschieben, also ein „scannen“ vorzunehmen. Die Transmission durch den photonischen Kristall 10 ergibt sich dann aus einer Überlagerung der durch den photonischen Kristall 10 selbst erlaubten Transmission und der durch das Gas bewirkten Absorption. Der Detektor 32 nimmt wiederum breitbandig die transmittierte Strahlung auf und erzeugt somit ein über einen Wellenlängenbereich integriertes Signal. Die integrierten Signale für verschiedene Abstimmungen des photonischen Kristalls 10 ergeben wiederum zusammen betrachtet die Absorptionslinie des zu vermessenden Gases. Eine Absorptionslinie kann auf diese Weise mit einem sehr kompakten und einfach aufgebauten Sensor sehr genau vermessen werden, was zu einer selektiven Gasmessung beiträgt. Dafür müssen die Transmissionseigenschaften des Kristalls vorab bekannt sein, d.h. es muss eine Kalibrierung erfolgen. Bei der beschriebenen Messmethode wird zweckmäßig eine diskrete Anzahl von Brechungsindizes über die Einflussgröße angesteuert. Dabei ist eine Vereinfachung und Beschleunigung der Messung möglich durch eine Wahl von nur wenigen Punkten, beispielsweise nur zwei Werten für die Einflussgröße, während eine hohe Genauigkeit erzielt wird durch die Wahl von mehreren Werten für die Einflussgröße und damit den Brechungsindex im photonischen Kristall 10.
Bei der Wahl von nur zwei Werten für die Einflussgröße ergeben sich zwei Werte für die durch den photonischen Kristall 10 transmittierte Wellenlänge, wobei der transmittierte Wellenlängenbereich eine gewisse Breite hat. Ist die transmittierte Intensität durch das Gas nicht beeinflusst, liegt der Wellenlängenbereich abseits einer Absorptionslinie des Gases. Trifft ein Wellenlängenbereich oder beide Wellenlängenbereiche eine Absorptionslinie, so kann aus der Absorption die Gaskonzentration ermittelt werden.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel ist in den 4 und 5 dargestellt. Hier ist ein photonisches Kristall 40 gezeigt, bei dem die Möglichkeiten besteht, die Variation der Einflussgröße für enge Bereiche des photonischen Kristalls 40 vorzunehmen. Beispielsweise kann dazu die Beheizung sehr punktuell oder entlang von Linien erfolgen oder die Änderung der Einflussgröße erfolgt über Bestrahlung. Die 4 zeigt den photonischen Kristall 40 in einem Zustand, bei dem ein geradliniger Wellenleiter realisiert ist. Dazu ist innerhalb der Anordnung der Stäbe 12 eine geradlinige Reihe von Stäben 41 der veränderten Einflussgröße ausgesetzt, so dass ihr Brechungsindex verändert ist. Licht aus einem geeigneten Wellenlängenbereich kann an einer Einstrahlstelle 42 eingestrahlt werden und wird zur Ausstrahlstelle 43 transmittiert. Das Licht kann sich dabei nicht frei innerhalb des photonischen Kristalls 40 ausbreiten, sondern wird innerhalb des durch die beeinflussten Stäbe 41 definierten Bereichs gehalten. Wird die Einflussgröße entfernt, also wieder alle Stäbe 12, 41 beispielsweise der gleichen Temperatur ausgesetzt, verschwindet der Wellenleiter. Dadurch kann der photonischen Kristall 40 gleichzeitig als Schalter wirken.
5 zeigt denselben photonischen Kristall 40, wobei die Veränderung der Einflussgröße nun auf einen anderen Bereich der Stäbe 41 wirkt. Hierbei ist für den durch die beeinflussten Stäbe 41 gebildeten Wellenleiter eine Knickstelle realisiert, wodurch eine veränderte Ausstrahlstelle 44 entsteht. Der photonische Kristall kann also auch eine Umschaltung zwischen verschiedenen Ausstrahlstellen 43, 44 erzielen, ohne dass dazu eine mechanische Änderung erforderlich ist. Die Möglichkeiten der Verschaltung zwischen beliebigen Ein- und Ausstrahlstellen 42, 43, 44 ist dabei nur dadurch begrenzt, wie sehr einzelne Stäbe 12 unabhängig voneinander durch die Einflussgröße beeinflussbar sind.
Durch die Veränderung der Einflussgröße sind neben einfachen Schaltern auch beispielsweise Y-förmige lichtleitende Bereiche realisieren. Diese sind geeignet, einen Lichtstrahl zu teilen (= Y-Teiler) oder zwei Lichtstrahlen zu vereinen.
6 zeigt eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme auf den photonischen Kristall 40. Dabei ist durch die beeinflussten Stäbe 41 ein Ringresonator realisiert. Auch andere Formen des Resonators sind, wiederum je nach Möglichkeit der Einflussnahme auf einzelne Stäbe 12, erzeugbar und beliebig im laufenden Betrieb veränderbar.
Weitere Beispiele für schaltbare oder erzeugbare Resonatoren bzw. Geräte sind lineare Resonatoren, Mach-Zehnder- oder Michelson-Interferometer. Für Mach-Zehnder-Interferometer benötigt man einen Y-Teiler, der einen Strahl aus einer einfallenden Richtung aufteilt in zwei ausgehende Richtungen und einen X-Teiler, der einem halbdurchlässigen Spiegel entspricht. Für ein Michelson-Interferometer genügt ein X-Teiler.
Mit dem Michelson-Interferometer lassen sich z.B. sehr kompakte FTIR-Messgeräte realisieren, die mittels Interferenz Absorptionsspektren und somit auf eine alternative Art und Weise Gaskonzentrationen vermessen können. Dabei kann beispielsweise die Funktion des bewegbaren Spiegels durch ein Hinzu- und Wegschalten zusätzlicher Reihen von Stäben erfolgen, die den Lichtweg in einer von dem X-Teiler ausgehenden Richtung im laufenden Betrieb schrittweise ändern.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel gemäß den 7 und 8 zeigt einen photonischen Kristall 50, der als programmierbarer Filter gestaltet ist. Bei diesem sind die Stäbe 12 derart unter den Einfluss der veränderten Einflussgröße gesetzt, dass zwei mit Abstand nebeneinander verlaufende Wellenleiter sowie ein dazwischenliegendes Resonatorelement gebildet werden. In der 7 ist das Resonatorelement aus einem einzelnen der Stäbe 51 gebildet, das symmetrisch zwischen den Wellenleitern liegt. Bei der Betriebsform gemäß 8 ist das Resonatorelement aus drei nebeneinanderliegenden Stäben 51 gebildet, wobei diese eine parallel zu den Wellenleitern und dazwischenliegende Linie bilden.
Eine Einstrahlstelle 52 sowie eine Ausstrahlstelle 53 markieren die Enden eines der Wellenleiter, während bei dem anderen Wellenleiter nur eine Ausstrahlstelle 54 interessant ist.
Hiermit wird ein wellenlängenselektiver Filter für Wellenleiter realisiert. Licht 33, das durch einen ersten der Wellenleiter zwischen der Einstrahlstelle 52 und der Ausstrahlstelle 53 geleitet wird, kann in den Defekt 55 in der Mitte einkoppeln und von diesem aus wiederum in den Wellenleiter, der zur weiteren Ausstrahlstelle 54 führt, einkoppeln. Der Empfänger-Kanal zur weiteren Ausstrahlstelle 54 transmittiert im Anschluss nur Licht 33, das die Resonanzbedingung des Defekts 55 erfüllt. Im Sender-Kanal zwischen der Einstrahlstelle 52 und der Ausstrahlstelle 53 fehlt genau dieses Licht 33. Über die Größe und/oder Form des Defekts 55 lässt sich die Wellenlänge festlegen, die von dem Defekt 55 und der beschriebenen Einkopplung betroffen ist. Große Defekte 55 aus mehreren der Stäbe 12 erfüllen die Bedingung für einen größeren Bereich von Wellenlängen als kleine Defekte 55 aus nur wenigen oder nur einem Stab 12.
Es wird so mit anderen Worten ein selektiver und kleiner Wellenlängenfilter mit sehr hoher Güte (Q-Faktor) geschaffen, welcher direkt in eine Wellenleiterstruktur integriert ist. Durch die Möglichkeit, die Materialkonstanten und Form und Größe des Defekts 55 dynamisch zu ändern, ist es möglich, zwischen verschiedenen Filtern hin-und-her zu schalten. Es wird also ein dynamischer Wellenlängenfilter für Wellenleiter geschaffen.
Eine weitere Anwendung ergibt sich aus der Kopplung der Zustände einzelner Defekte 55 im photonischen Kristall 40. Die einzelnen Defekte 55 werden dabei analog zu den vorbeschriebenen Filtern mit eingekoppeltem Licht angeregt. Werden durch Einflussnahme auf den photonischen Kristall 40, beispielsweise durch eine Erhöhung der Temperatur, zwei oder mehr Defekte 55 derart nahe beieinander angeordnet, so kann das eingekoppelte Licht in den Defekten 55 interagieren und somit eine gemeinsame, gegenüber dem einzelnen Defekt 55 veränderte Wellenfunktion ausbilden. Analog zur Bildung von Molekülen im Sinne von einer gemeinsamen Wellenfunktion der beteiligten Teilchen können sich hier aus den „photonischen Atomen“, die einem einzelnen Defekt 55 entsprechen, „photonische Moleküle“ bilden.
Beispielsweise lassen sich zwei benachbarte Defekte 55 koppeln und es entsteht ein gemeinsamer Zustand wie beim Wasserstoff-Molekül, der andere Eigenschaften aufweist als die einzelnen Defekte bzw. das einzelne Wasserstoff-Atom. Dabei ist der Art und Menge an aufgewendeten Defekten 55 keine Grenze gesetzt, beispielsweise können die Defekte 55 punktförmig sein, d.h. einen einzelnen der Stäbe 12 umfassen oder mehrere der Stäbe 12, beispielsweise in Form einer Reihe oder einer Fläche. Damit lassen sich vorteilhaft quantenmechanische Zustände simulieren und somit auch Quanten-Computer bauen. Ein Ziel einer solchen Anordnung ist es, optische Quantencomputer zu simulieren und zu ermöglichen und somit auch quantenmechanische Rechnungen, wie beispielsweise den Shor-Algorithmus oder den Grover-Algorithmus.

Claims

Optische Einrichtung zur Manipulation von ersten Lichtstrahlen, umfassend: – einen photonischen Kristall, wobei der photonische Kristall eine Mehrzahl von im Wesentlichen regelmäßig sowie aufrecht auf einem Substrat angeordneten Stäben aufweist, – eine Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße auf oder in wenigstens einem Teil des photonischen Kristalls, – eine Steuereinrichtung, ausgestaltet zur Aufnahme eines Steuersignals und zur Ansteuerung der Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße dergestalt, dass in Abhängigkeit vom Steuersignal wenigstens zwei verschiedene Zustände der Einflussgröße einstellbar sind, wobei die Stäbe ein erstes Material aufweisen, das bei Veränderung der Einflussgröße eine Änderung des Brechungsindex erfährt.
Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Einflussgröße die Temperatur ist.
Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Einflussgröße eine elektrische Spannung oder ein elektrisches Feld ist.
Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Einflussgröße ein magnetisches Feld ist.
Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Einflussgröße eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zweiten Lichtstrahlen ist.
Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Einflussgröße die chemische Wirkung eines weiteren Materials ist.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Material ein Metalloxid ist, insbesondere VO2 oder WO3.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Material La2/3Ca1/3MnO3 ist.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Material ein Flüssigkristall ist.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Material ein hybrides photochromes Material ist, insbesondere PMMA.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Veränderung einer Einflussgröße derart ausgestaltet ist und das erste Material dergestalt gewählt ist, dass ein Wechsel der Transmission für die ersten Lichtstrahlen zwischen im Wesentlichen keiner Transmission und im Wesentlichen vollständiger Transmission ansteuerbar ist.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass der gesamte photonische Kristall von der Änderung der Einflussgröße erfasst ist.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwei oder mehr unterschiedliche Veränderungen der Einflussgröße zur gleichen Zeit für unterschiedliche Teilbereiche des photonischen Kristalls erzeugbar sind.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung ausgestaltet ist, die Veränderung der Einflussgröße individuell steuerbar für einzelne Stäbe oder Stabgruppen wenigstens eines Teilbereichs des photonischen Kristalls herbeiführen zu können, insbesondere individuell steuerbar für jeden einzelnen Stab des Teilbereichs.
Optische Einrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das erste Material ein Material ist, bei dem die Änderung der Einflussgröße eine Änderung des Brechungsindex um wenigstens 10^–5, insbesondere um wenigstens 10^–4.