Kontrollierte Lichtausbreitung in nanometerskaligen III/V-Halbleiterstrukturen auf Basis gekrümmter photonischer Drähte und abstimmbarer photonischer Kristalle

Die rasant steigende Datenübermittlung in optischen Netzwerken stellt neue Herausforderungen an alle Bauteile der Netzinfrastruktur und erfordert stetige Leistungssteigerungen bei gleichzeitiger Miniaturisierung. Ein möglicher Schritt auf diesem Weg ist die monolithische Integration mehrerer Baugruppen zu einem einzigen Bauteil, was hohe Integrationsdichten verspricht und somit die Effizienz deutlich steigert. Zwischen Laserdioden als Lichtquellen und Photodioden als Empfängern sind beispielsweise auch gekrümmte Wellenleiter, Strahlteiler oder Filter zur Signalleitung bzw. -selektion nötig. Hochkompakte und verlustarme gekrümmte photonische Drähte zur Lichtumlenkung um 90° aus tiefgeätzten Stegwellenleitern auf Galliumarsenid-Heterostrukturen unterstützen diese Ansätze. Auf einer Fläche von nur 1 µm 2 lässt sich eine Transmissionsrate von 95 % über einen breiten Spektralbereich um 1.55 µm herum realisieren, was einer Dämpfung von nur wenig mehr als 0.2 dB entspricht. Eine Steigerung auf 99 % Transmission (0.05 dB Dämpfung) ist mit etwas größeren Bauteilen zu erzielen. Die untersuchten Abhängigkeiten der Transmission vom Bauteildesign werden durch FDTD-Berechnungen sehr gut bestätigt. Durch Kombination zweier effizienter und verlustarmer viertelkreisförmiger 90°-Umlenkstrukturen hergestellte T-förmige Strahlteiler garantieren eine äußerst symmetrische Strahlaufteilung mit geringen Verlusten von 1.4 dB pro Kanal und großer Wellenlängenunabhängigkeit. Eine extern veränderbare kontrollierte Lichtführung ist mit abstimmbaren zweidimensionalen photonischen Kristallen möglich. Hierzu füllt man die Luftzwischenräume der auf III/V-Halbleitermaterialien hergestellten photonischen Kristalle mit Flüssigkristallen und verändert deren Brechungsindex gezielt durch Temperaturänderung und Ausnutzung der Doppelbrechung. Feinste Veränderungen der optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls sind anhand einer Verschiebung der Resonanzlage der aus photonischen Kristallen gebildeten Mikroresonatoren feststellbar. Die kontrollierte Veränderung der optischen Eigenschaften photonischer Kristalle wird durch temperaturinduzierte deutliche Resonanzverschiebungen aufgrund Brechungsindexsprüngen von bis zu 0.07 bei galliumarsenid- und indiumphosphidbasierenden photonischen Kristallen am Klärpunkt der Flüssigkristalle bei 1 µm respektive 1.55 µm Wellenlänge nachgewiesen. Polarisationsabhängige Untersuchungen erlauben zusammen mit den die experimentellen Daten sehr gut widerspiegelnden FDTD-Berechnungen Rückschlüsse auf die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in den Löchern des photonischen Kristalls.