EP1386187A2 - Photonische kristalle - Google Patents

Photonische kristalle

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EP1386187A2
EP1386187A2 EP02727481A EP02727481A EP1386187A2 EP 1386187 A2 EP1386187 A2 EP 1386187A2 EP 02727481 A EP02727481 A EP 02727481A EP 02727481 A EP02727481 A EP 02727481A EP 1386187 A2 EP1386187 A2 EP 1386187A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
thermal expansion
glass
glass ceramic
photonic crystal
Prior art date
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Ceased
Application number
EP02727481A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Heitmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B5/00—Single-crystal growth from gels
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices

Definitions

  • the present invention relates to photonic crystals.
  • Photonic crystals are generally understood to mean three-dimensional dielectric structures which are opaque to electromagnetic radiation in a specific wavelength range regardless of the direction of incidence. The wavelength range is largely determined by the arrangement, shape and size of the structures.
  • An important type of photonic crystals is a regular, for example matrix-like, arrangement of free-standing dielectric
  • Microsaules or cylinders with very small diameters and a relatively large height are formed. Typical diameters of microcylinders for visible and IR light are in the range from one hundred to a few hundred nanometers.
  • photonic crystals For the production of photonic crystals with micro cylinders, a substrate is required which carries the micro cylinders. For this reason, quartz glass has mostly been used, among other things because of the mechanical and chemical stability.
  • photonic crystals is understood to mean the three-dimensional dielectric structure with microscopes or cylinders, including a substrate carrying them.
  • photonic crystals are very well suited for the production of optical components such as very narrow-band filters, modulatable filters, add-drop filters and integrated optical structures with 90 ° deflection.
  • optical components such as very narrow-band filters, modulatable filters, add-drop filters and integrated optical structures with 90 ° deflection.
  • Such components are used in DWDM technology (Dense Wavelength Division Multiplexing)
  • BEST ⁇ TIGUMGSKOP ⁇ E electromagnetic radiation of different wavelengths is used as a carrier.
  • the channel spacing between adjacent channels used at the same time is 0.4 nm, with wavelengths in the range around 1550 nm being used.
  • the channel spacing will decrease to 0.2 nm or less in order to achieve a higher bandwidth when transmitting via an optical fiber. This requires components now with a very high stability of the filter properties, especially in the case of large temperature fluctuations.
  • a photonic crystal according to the invention has a substrate whose thermal expansion coefficient in the temperature range between -60 ° C. and 85 ° C. is at least 50% smaller than the amount of the expansion coefficient of quartz glass.
  • the thermal expansion of the substrate is kept low even with large temperature fluctuations; however, the distance of the microsaules or cylinders of the photonic crystal carried by the substrate changes only slightly. Therefore, the optical properties of the photonic also change Little crystal, so that the optical properties are much more stable than that of photonic crystals with a quartz glass substrate.
  • the thermal expansion coefficients of the substrate and / or the quartz glass are e.g. linear coefficients of thermal expansion.
  • the amount of the thermal expansion coefficient of the substrate in the, preferably entire, temperature range between -60 ° C. and 85 ° C. is preferably at least 50% smaller than the amount of the thermal expansion coefficient of quartz glass.
  • a substrate with a base body made of a glass ceramic which has a coefficient of thermal expansion which in the temperature range between -60 ° C and 85 ° C is less than 5 x 10 "7 / ° C, less than 4 x 10 ⁇ 7 / ° C , less than 3 X 10 "7 / ° C, less than 2 X 10 ⁇ 7 / ° C, particularly preferably less than 1 X 10 " 7 / ° C and most preferably less than 5 x 10 "8 / ° C or is less than 2 x 10 "8 / ° C.
  • a glass ceramic with expansion coefficients within the latter two ranges is complex to manufacture.
  • Glass ceramics are basically composite materials with an amorphous glass phase and embedded crystals, which are produced by ceramization, ie controlled devitrification (crystallization) of glasses. They result from the heat treatment of a suitable glass, in which crystals are created. For this purpose, suitable raw material is first melted, rectified, homogenized and then shaped while hot. After cooling and tempering the glass-like blank, a temperature treatment follows, in which the crystallization takes place. During the heat treatment, crystallization nuclei form in the glass on them subsequently the crystals grow at a slightly higher temperature.
  • the glass ceramic according to the invention contains more than 50% by weight of SiO 2 . In addition, it can be different
  • Contain additives especially z.
  • B203 Calcium oxide
  • Al oxide aluminum oxide
  • PbO lead oxide
  • MgO magnesium oxide
  • BaO barium oxide
  • K20 potassium oxide
  • Glass ceramics are mechanically and chemically very stable, which is an advantage in the production of photonic crystals, but also in their later use.
  • the invention further relates to a method for producing the photonic crystals according to the invention having the features of claim 8.
  • the photonic crystals according to the invention can also be produced with all known methods for the production of photonic crystals with quartz glass substrates.
  • additive lithography can be used to manufacture. This procedure is in SPIE Vol. 2849
  • the glass ceramic preferably has a glass phase and a crystalline phase distributed therein with a coefficient of thermal expansion which is lower in the temperature range between -60 ° C. and 85 ° C. than that of the glass phase.
  • a glass ceramic is particularly preferably used, the crystalline phase of which has a negative coefficient of thermal expansion at least in parts of the temperature range between -60 ° C. and 85 ° C. Because the thermal
  • Coefficient of expansion of a composite material depends, among other things, strongly on the thermal expansion coefficient of its components, resulting in a particularly small thermal expansion coefficient of the glass ceramic.
  • the proportion by weight of the crystalline phase also influences the thermal expansion coefficient of the glass ceramic. It is therefore preferred in the case that the thermal expansion coefficient of the crystalline phase is smaller than that of the glass phase, in particular negative, the proportion of the crystalline phase chosen so high that the thermal expansion is particularly small in the temperature range between -60 ° C and 85 ° C is.
  • the proportion by weight of the crystalline phase in the glass ceramic is preferably between 60 and 90%, particularly preferably 70 and 80%.
  • the crystalline phase is preferably largely homogeneously distributed in the glass ceramic.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a section of a preferred embodiment of the photonic crystal according to the invention.
  • FIG. 2 shows a plan view of a section of the photonic crystal from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows the photonic crystal 1 according to the invention, which was produced by means of additive lithography with electron beam-induced deposition or deposition of a three-dimensional structure 2 on a substrate 3.
  • a beam current of 100 pA to 20OpA was used for the production.
  • the three-dimensional structure 2 is arranged on the substrate 3 and adheres to the substrate.
  • the deposited material has grown into a composition of essentially spherical metallic nanocrystals in a matrix of insulating amorphous carbon or polymers from CH X radicals. For example, platinum and / or gold are used as metals.
  • the exemplary three-dimensional structure 2 comprises a multiplicity of essentially cylindrical microsaules or rods 4 made of Me 2 Au arranged in a two-dimensional regular matrix.
  • the band gap is 1.38 eV, corresponding to a photon wavelength of 900 nm.
  • the length h of the rods is approximately 2000 nm.
  • the structure 2 is or the rods 4 are nanocrystalline or amorphous.
  • the diameter d of the rods 4 is approximately 140 nm and the spacing a of the rods 4 within the regular matrix arrangement in the horizontal and vertical directions is 320 nm from center to center of adjacent rods 4.
  • a diameter of the rods in the range from 80 nm to 300 nm can also be produced and / or used.
  • shapes other than cylindrical rods can be produced and / or used
  • a substrate in particular a glass ceramic, which comprises or consists of microcrystals of a, preferably average, size in the range of approximately 50 nm.
  • Micro crystal sizes other than the said ones, for example smaller or larger than 50 nm, can also be used in the context of the invention.
  • a substrate 2 is preferably used which is chemically, mechanically and / or in terms of polishability essentially similar or even identical to the quartz glass.
  • the substrate 2 has a smooth, e.g. polished surface, which is particularly advantageous in cooperation with the three-dimensional structures of the photonic crystal according to the invention.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Kristalle, d.h. dreidimensionale dielektrische Strukturen (2), 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 (4) mit sehr kleinen Durchmessern auf. Diese sind auf einem Substrat (3) aufgebracht 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 (a) 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® verwendet.

Description

Photonische Kristalle
Beschreibung
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
Mikrosaulen oder -zylindern mit sehr kleinen Durchmessern und einer relativ dazu großen Höhe gebildet. Für sichtbares und IR- icht 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 Mikros ulen 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
BESTÄTIGUMGSKOPΪE 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 Temper turSchwankungen die thermische Ausdehnung des Substrats gering gehalten; damit ändert sich aber auch der Abstand der von dem Substrat getragenen Mikrosaulen 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 x 10"7/°C, kleiner als 4 x 10~7/°C, kleiner als 3 X 10"7/°C, kleiner als 2 X 10~7/°C, besonders bevorzugt kleiner als 1 X 10"7/°C und am meisten bevorzugt kleiner als 5 x 10"8/°C oder kleiner als 2 x 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.-% Si02. Darüber hinaus kann sie verschiedene
Zuschlagstoffe enthalten, insbesondere z. B. Calciumoxid (CaO) , Natriumoxid (Na20) mit z.T. größeren Mengen von Bortrioxid (B203), Aluminiumoxid (A1203), Bleioxid (PbO) , Magnesiumoxid (MgO) , Bariumoxid (BaO) oder Kaliumoxid (K20) . 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 Si02 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 pm/°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 20OpA 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 CHX-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 Mikrosaulen 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

Patentansprüche :
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 X 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,
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.
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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10116500A DE10116500A1 (de) 2001-04-03 2001-04-03 Photonische Kristalle
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PCT/EP2002/003365 WO2002082135A2 (de) 2001-04-03 2002-03-26 Photonische kristalle

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ID=7680166

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US (1) US7359605B2 (de)
EP (1) EP1386187A2 (de)
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