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Charakterisierung photonischer Kristalle

31.12.2006

Künstlich hergestellte, periodisch mikrostrukturierte optische Bauteile, die mindestens aus zwei verschiedenen Materialien mit stark unterschiedlichem Brechungsindex bestehen, werden auch als photonische Kristalle (PK) bezeichnet. Ähnlich wie in natürlichen Kristallen können sich in diesen Artefakten nur bestimmte elektromagnetische Moden ausbreiten, wobei jedoch die zugrunde liegende Bandstruktur bei den PK durch den Herstellungsprozess beeinflussbar ist. Die Schichtdicken der Strukturen liegen in der Größenordnung der Entwurfswellenlänge, je nach vorliegender Periodizität im nahen Infrarot oder im sichtbaren Wellenlängenbereich. Üblicherweise führt man eine indirekte Charakterisierung durch, indem das Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten transversal zur photonischen Struktur untersucht wird [1]. Hier zeigen sich so genannte Fano-Resonanzen, wenn sich die einfallende Strahlung mit Verlust-Moden der optischen Struktur überlagert. Aus der wellenlängenabhängigen Verschiebung dieser Resonanzen in Abhängigkeit vom Einstrahlungswinkel (Bild 1) und aus der Kurvenform der Resonanz lässt sich durch Vergleich mit theoretischer Modellierung auf die Bandstruktur des produzierten Bauteils und auf die Güte des Herstellungsverfahrens schließen.


Reflexionsspektren eines dreieckssymmetrischen photonischen Kristalls für einen Einfallwinkel von 65° bei Variation der azimutalen Ausrichtung der Struktur

In Kooperation mit der Universität Twente (Arbeitsgruppe Prof. Boller) sollen spezielle Si-Lochstrukturen, die mittels eines Laser Interferenz Lithographie Verfahrens hergestellt wurden [2], hinsichtlich ihres Reflexions- und Transmissionsverhaltens untersucht werden. Aus Beugungsmustern (Bild 2) lassen sich die Kenngrößen der jeweils untersuchten Struktur ableiten bzw. die Ausrichtung im Experiment vornehmen. So wirkt die periodische Lochanordnung des PK hier wie ein optisches Dreifachliniengitter, wobei die drei Gitter jeweils um 75° bzw. 30° zueinander verdreht sind. Die deutlich sichtbare schlechtere Auflösung der beiden in Bild 2 senkrecht liegenden Spektren lässt auf eine um etwa einen Faktor 1,87 größere Gitterkonstante als im Fall der diagonal ausgerichteten Strukturen schließen.


Reflexe nullter und erster Ordnung eines Weißlicht-Beugungsdiagramms für eine dreieckssymmetrische photonische Struktur (bestrahlter Bereich Ø = 3 mm) bei senkrechtem Strahlungseinfall

Sofern für die untersuchten dreieckssymmetrischen Strukturen die sichere Identifizierung von Fano-Resonanzen und damit eine Beurteilung der erzeugten Bandstruktur gelingt, wäre ein nächster Schritt, die in der dünnen Schicht des PK geführten Strahlungsmoden zu untersuchen bzw. diese durch nichtlineare Modifikation des Brechungsindex zu variieren.


Literatur:

K.B. Crozier, V. Lousse, O. Kilic, S. Kim, S. Fan, and O. Solgaard: Air-bridged photonic crystal slabs at visible and near infra-red wavelengths, Phys. Rev. B 73, S. 115126-1-14 (2006) 

L. Prodan, T.G. Euser, H.A.G.M. van Wolferen, C. Bostan, R.M. de Ridder, R. Beigang, K.-J. Boller, and L. Kuipers: Large area two-dimensional silicon photonic crystals for infrared light fabricated with laser interference lithography, Institute of Physics Publishing, Nanotechnology 15, S. 639 – 642 (2004)