WO2003098331A1 - Photonischer kristall mit veränderbarer optischer bandlücke - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a photonic crystal according to the preamble of patent claim 1.
  • Photonic crystals are crystals for photons whose refractive index is periodically modulated on a scale of the wavelength of light. Photonic crystals generally consist of a periodically structured material.
  • Photonic crystals show a so-called photonic band gap. Light of a certain wavelength can no longer propagate in this medium. This effect is based on a multiple reflection of the light within the crystal.
  • a photonic crystal is produced by making sufficiently small holes in a material and arranging them appropriately, e.g. at regular intervals. For the light, these holes act like the atoms of a conventional crystal for the electrons, the crystal properties being determined by the arrangement and size of the holes.
  • the object of the invention is to provide a photonic crystal, the crystal properties of which can be changed at any time without great effort. This object is achieved by the features of claim 1.
  • the invention is based on combining a photonic crystal with a material with a variable refractive index.
  • the properties of the photonic crystal can be changed very easily at any time by deliberately changing the refractive index of this material.
  • Either a material with a variable refractive index is used for the carrier material or for the material forming the regular structures. Varying the refractive index changes the shape and size of the band gap in the photonic crystal. If you increase the refractive index of one material compared to the other material, the band gap increases. If the refractive index is the same in both materials, the band gap disappears completely and the photonic crystal behaves like an ordinary waveguide.
  • Figure 1 a schematic representation of two different components
  • FIG. 1 shows schematically two possible configurations of a two-dimensional photonic crystal 1 according to the invention.
  • the crystal consists of a carrier material 2, for example in the form of a conventional waveguide, which is interspersed with regular structures in the form of two-dimensional “columns” 3.
  • a material with a variable refractive index preferably a polymer
  • the carrier material 2 is e.g. consists of a silicon compound.
  • the carrier material 2 consists of a material with a variable refractive index, while the columns 3 z. B. consist of a silicon compound.
  • any material can be used according to the invention, the refractive index of which can be changed by a physical effect.
  • these include e.g. the thermo-optical and the electro-optical effect.
  • materials are known whose refractive index changes when irradiated with light of a certain wavelength.
  • a polymer is preferably used, since its refractive index is variable over a wide range.
  • the band gap of this photonic crystal 1 By changing the refractive index of the material - hereinafter referred to simply as polymer - in the columns 3 or in the material 2 around the columns, not only can the band gap of this photonic crystal 1 be switched on and off, but the band gap can be changed by small changes in the refractive index continuously reduce or enlarge. It is therefore possible that, for example, a certain wavelength lies within the band gap and thus “sees” the structure as a photonic crystal, while an adjacent wavelength already lies outside the band gap and thus sees the structure as an ordinary waveguide.
  • a standard waveguide was used, consisting of a silicon substrate 4, a lower SiO 2 cover layer 3, then the actual waveguide 6, and an upper SiO 2 cover layer 7.
  • a heating element 9 is arranged on the upper cover layer 7, that is heated electrically, for example.
  • the polymer 8 is selected so that its refractive index increases as the temperature rises, the refractive index in the unheated state e.g. corresponds to the refractive index of the cover layers 5, 7 and thus the entire structure functions as a photonic crystal.
  • the refractive index of the polymer increases until it reaches the value of the waveguide material 6.
  • the specific band gap becomes smaller and smaller until it finally disappears completely and the structure functions like an ordinary waveguide. If you now couple light, it spreads like an ordinary planar waveguide - the photonic crystal is, so to speak, switched off.
  • FIG. 3 shows an example of the formation of various energy bands in the photonic crystal which are dependent on the wavelength of the light used. No light propagation in the photonic crystal is possible in the band gaps between the energy bands.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photonischen Kristall (1) bestehend aus einem Material (2) mit einem ersten Brechungsindex, in das regelmässige Strukturen aus einem Material (3) mit einem zweiten Brechungsindex eingebracht sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eines der Materialien einen variablen Brechungsindex aufweist. Durch entsprechende Änderung des Brechungsindex können die Kristalleigenschaften jederzeit ohne grossen Aufwand verändert werden. Der kriatall kann in form eines Wellenleiters vorliegen. Weiters können elektroden zur erzeugung eines elektrischen feldes oder ein Heizelement vorgesehen werden um den Brechnungs index des ersten oder zweiten materials zu verändern, was auch durch Bestrahlung mit licht einer bestimmten Wellenlänge erfolgen kann.

Description

PHOTONISCHER KRISTALL MIT VERÄNDERBARER OPTISCHER BANDLUCKE
Die Erfindung betrifft einen Photonischen Kristall nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die neueste Generation von integrierten optischen Komponenten beruht auf sogenannten Photonischen Kristallen. Photonische Kristalle sind Kristalle für Photonen, deren Brechungsindex auf einer Skala der Wellenlänge des Lichts periodisch moduliert ist. Photonische Kristalle bestehen im allgemeinen aus einem periodisch strukturierten Material.
Photonische Kristalle zeigen eine sogenannte photonische Bandlücke. Licht einer bestimmten Wellenlänge kann sich in diesem Medium nicht mehr ausbreiten. Dieser Effekt beruht auf einer Vielfachreflexion des Lichts innerhalb des Kristalls.
Im einfachsten Fall stellt man einen Photonischen Kristall her, indem man in ein Material ausreichend kleine Löcher einbringt und diese geeignet anordnet, z.B. in regelmäßigen Abständen zueinander. Diese Löcher wirken für das Licht wie die Atome eines herkömmlichen Kristalls für die Elektronen, wobei die Kristalleigenschaften durch die Anordnung und Größe der Löcher bestimmt werden.
Ein Problem ist, dass man nach der Produktion des Photonischen Kristalls dessen Kristalleigenschaften nicht mehr ändern kann, da die Anordnung der Strukturen fest vorgegeben ist und somit die Kristalleigenschaften ebenfalls fest vorgegeben sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Photonischen Kristall zu schaffen, dessen Kristalleigenschaften jederzeit ohne großen Aufwand verändert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht darauf, einen Photonischen Kristall mit einem Material mit variabler Brechzahl zu kombinieren. Durch gezielte Veränderung der Brechzahl dieses Materials können die Eigenschaften des Photonischen Kristalls jederzeit sehr einfach geändert werden.
Entweder wird für das Trägermaterial oder für das die regelmäßigen Strukturen bildende Material ein Material mit variablem Brechungsindex verwendet. Variiert man den Brechungsindex ändert sich die Form und Größe der Bandlücke im Photonischen Kristall. Erhöht man die Brechzahl des einen Materials gegenüber dem anderen Material, so wird die Bandlücke immer größer. Wird die Brechzahl in beiden Materialien gleich groß, verschwindet die Bandlücke völlig und der Photonische Kristall verhält sich wie ein gewöhnlicher Wellenleiter.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung von zwei verschiedenen
Ausführungsformen eines zweidimensionalen Photonischen
Kristalls; Figur 2: Aufbau eines einfachen Photonischen Kristalls mit variabler
Bandlücke; Figur 3: schematische Darstellung der Ausbildung verschiedener
Energiebänder im Photonischen Kristall. Figur 1 zeigt schematisch zwei mögliche Ausgestaltungen eines zweidimensionalen Photonischen Kristalls 1 gemäß der Erfindung. Der Kristall besteht aus einem Trägermaterial 2, z.B. in Form eines herkömmlichen Wellenleiters, welches von regelmäßigen Strukturen in Form von zweidimensionalen „Säulen" 3 durchsetzt ist.
In dem Ausführungsbeispiel, gemäß Figur 1A, wird für die Säulen 3 ein Material mit veränderbarem Brechungsindex, vorzugsweise ein Polymer, verwendet, während das Trägermaterial 2 z.B. aus einer Siliziumverbindung besteht.
In Figur 1 B besteht das Trägermaterial 2 aus einem Material mit veränderlichem Brechungsindex, während die Säulen 3 z. B. aus einer Siliziumverbindung bestehen.
Allgemein kann erfindungsgemäß ein beliebiges Material verwendet werden, dessen Brechzahl durch einen physikalischen Effekt verändert werden kann. Hierzu zählen z.B. der thermo-optische und der elektro-optische Effekt. Des weiteren sind Materialien bekannt, deren Brechzahl sich bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge ändert. Vorzugsweise wird ein Polymer verwendet, da dessen Brechungsindex in weiten Bereichen veränderlich ist.
Durch die Änderung der Brechzahl des Materials - im Folgenden kurz Polymer genannt - in den Säulen 3 bzw. im Material 2 um die Säulen herum kann man nicht nur die Bandlücke dieses Photonischen Kristalls 1 ein- und ausschalten, sondern durch geringe Brechzahländerungen lässt sich die Bandlücke stufenlos verkleinern bzw. vergrößern. Damit ist es möglich, dass beispielsweise eine bestimmte Wellenlänge innerhalb der Bandlücke liegt und die Struktur somit als Photonischen Kristall „sieht", während eine benachbarte Wellenlänge bereits außerhalb der Bandlücke liegt und die Struktur somit als gewöhnlichen Wellenleiter sieht. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wurde ein Standardwellenleiter verwendet, bestehend aus einem Siliziumsubstrat 4, einer unteren SiO2- Deckschicht 3, darauf der eigentliche Wellenleiter 6, und einer oberen SiO2- Deckschicht 7. Auf der oberen Deckschicht 7 ist ein Heizelement 9 angeordnet, das z.B. elektrisch beheizt wird. In der Wellenleiterstruktur 6 und einem Teil der unteren Deckschicht 5 befinden sich zylindrische Löcher, die mit einem Polymer 8 mit thermo-optischen Eigenschaften gefüllt sind.
Das Polymer 8 ist dabei so ausgewählt, dass dessen Brechzahl bei Temperaturerhöhung zunimmt, wobei die Brechzahl im nicht geheizten Zustand z.B. mit der Brechzahl der Deckschichten 5, 7 übereinstimmt und somit die gesamte Struktur als Photonischer Kristall funktioniert.
Wenn man nun das Polymer 8 mittels des Heizelements 9 erhitzt, erhöht sich die Brechzahl des Polymers bis sie den Wert des Wellenleitermaterials 6 erreicht. Dadurch wird die spezifische Bandlücke immer kleiner bis sie schließlich ganz verschwindet und die Struktur wie ein gewöhnlicher Wellenleiter funktioniert. Wenn man nun Licht einkoppelt, breitet es sich wie in einem gewöhnlichen planaren Wellenleiter aus - der Photonische Kristall ist gewissermaßen ausgeschaltet.
Figur 3 zeigt beispielhaft die Ausbildung von verschiedenen, von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängigen Energiebänder im Photonischen Kristall. In den Bandlücken zwischen den Energiebändern ist keine Lichtausbreitung im Photonischen Kristall möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Photonischer Kristall (1) bestehend aus einem Material (2) mit einem ersten Brechungsindex, in das regelmäßige Strukturen (8) aus einem Material (3) mit einem zweiten Brechungsindex eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Materialien (2; 3) einen variablen Brechungsindex aufweist.
2. Photonischer Kristall nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (8) ein-, zwei- oder dreidimensional periodisch angeordnet sind.
3. Photonischer Kristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2; 3) mit variablen Brechungsindex elektro-optische oder thermo-optische Eigenschaften aufweist.
4. Photonischer Kristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex durch Bestrahlung des Materials (2; 3) mit Licht einer bestimmten Wellenlänge variierbar ist.
5. Photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2; 3) mit variablem Brechungsindex ein Polymer ist.
6. Photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf das Material (2; 3) mit veränderlichen Brechungsindex einwirkendes Heizelement (9) vorgesehen ist.
7. Photonischer Kristall nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (9) ein elektrisch betriebenes Heizelement ist.
8. Photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, um in dem Material mit veränderlichen Brechungsindex ein elektrisches Feld zu erzeugen.
9. Photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Lichtquelle vorgesehen ist, durch die das Material (2; 3) mit veränderlichen Brechungsindex mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlbar ist.
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