DE102009030338B4

DE102009030338B4 - Optische Interferenzanordnung und Verfahren zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in einen photonischen Kristall oder Quasikristall

Info

Publication number: DE102009030338B4
Application number: DE102009030338.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Straub Martin; Dipl.-Ing. Bayer Christian
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: DE102009030338A1

Abstract

Optische Interferenzanordnung zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in einen photonischen Kristall oder Quasikristall umfassend: den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) und eine Einkoppelstruktur (2), die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass durch sie in einem an der Oberfläche und/oder im Inneren des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) angeordneten Eintrittsbereich (3) des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) mehrere elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) in einem vordefinierten Interferenzmuster (5) zur Interferenz bringbar sind, wobei die Einkoppelstruktur (2) mehrere Strukturteilabschnitte umfasst, die an den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) angrenzen und strukturell mit dem photonischen Kristall oder Quasikristall (1) verbunden sind, und die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sind, dass durch sie mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder oder Strahlungsfeldabschnitte in den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) einkoppelbar und als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind und die Einkoppelstruktur (2) mit mehreren außerhalb des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) angeordneten Wellenleitern (8a, 8b, 8c) oder einer Fokussieroptik, die mit einer Vorrichtung zur Erzeugung komplexer Interferenzmuster gekoppelt ist, gebildet ist, und die Wellenleiter (8a, 8b, 8c) auf den Eintrittsbereich (3), dessen mittlere Ausdehnung größer gleich 0,2 und kleiner gleich 5 Einheiten einer Gitterkonstante des periodischen photonischen Kristalls entspricht, zulaufen oder die Fokussieroptik auf den Eintrittsbereich (3) mit dieser Größe fokussiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Interferenzanordnung zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in einen photonischen Kristall oder einen Quasikristall. Eine solche Interferenzanordnung ermöglicht und realisiert eine Anregung mindestens einer optischen Mode des photonischen Kristalls oder Quasikristalls durch die eingekoppelte Strahlung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Herstellungsverfahren für eine solche optische Interferenzanordnung und auf ein entsprechendes Arbeitsverfahren zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in einen photonischen Kristall oder Quasikristall.
Photonische Kristalle sind periodisch strukturierte Materialien, die durch zwei verschiedene Dielektrizitätskonstanten gekennzeichnet sind und sich in vielfacher Hinsicht durch optische Eigenschaften auszeichnen, die von homogenen Medien abweichen. Photonische Quasikristalle sind aperiodische Anordnungen von Strukturelementen, die zwar nicht über Translationssymmetrie verfügen, jedoch über eine sich wiederholende Nahordnung. Sofern nicht anders gesagt, kann ein photonischer Quasikristall im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenso (hinsichtlich der Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung) angekoppelt werden wie ein photonischer Kristall. Nachfolgend wird für diese beiden Kristalltypen zusammengenommen auch die Abkürzung ”PhC” verwendet. Im Einzelfall kann mit dieser Abkürzung jedoch auch ein photonischer Kristall im engeren Sinne bezeichnet werden. Was jeweils gemeint ist, erschließt sich dem Fachmann aus dem jeweiligen Zusammenhang.
Bei PhC existieren Frequenzbereiche, bei denen die Lichtausbreitung bei bestimmten Polarisationen, bei bestimmten Wellenvektoren oder sogar gänzlich unterdrückt wird. In Analogie zu Festkörpern mit elektronischen Bandlücken, wie sie z. B. in der Mikroelektronik genutzt werden, handelt es sich um sogenannte photonische Bandlücken, die sich durch die gezielte Einführung funktionaler Strukturdefekte für den Betrieb photonischer (d. h. lichtbasierter) Mikrobauelemente nutzen lassen; z. B. als Wellenleiter, Mikroresonatoren oder als optische Schalter.
Da in photonische Kristalle integrierte Lichtquellen und Detektoren nur schwer zu realisieren sind, ist eine effiziente Ein- und Auskopplung von Licht in photonische Kristalle und Mikrobauelemente von großer Wichtigkeit.
Bisherige Einkoppelstrukturen nutzen eine einfache Stoßkopplung, teilweise in Verbindung mit einer Taperung des dielektrischen Wellenleiters zur Modenfeldanpassung (s. EP 1 666 940 A1 ). Alternativ wurde in PhC-Taperstrukturen eingekoppelt, wobei die Kopplungseffizienz durch spezielle Punktdefekte verbessert wurde (s. WO 2004/017113 A1 ).
Die bisherigen Einkoppelstrukturen weisen jedoch oftmals Defizite hinsichtlich eines Überlapps der Modenfelder der einkoppelnden Struktur und des PhC-Wellenleiters, in den mit dieser Struktur eingekoppelt wird, auf. Insbesondere bei komplex geformten PhC-Modenfeldern, wie sie bei höheren Moden in fundamentalen Bandlücken und erst recht bei Wellenleitermoden in Bandlücken höherer Ordnung vorkommen, reichen die bekannten Kopplungstypen oft nicht mehr aus.
So sind aus US 7 310 468 B2 ein photonischer Kristallwellenleiter, Wellenleiter für ein homogenes Medium und eine optische Anordnung bekannt.
US 2004/0126055 A1 betrifft einen photonischen kristallinterferrometrischen Schalter.
Ein Mach-Zehnder Interferometer mit einem photonischen Bandlückenkristall ist in US 2003/0011775 A1 beschrieben.
EP 1 794 573 B1 offenbart ein photonisches Kristallinterferometer.
Eine nichtlineare optische Anordnung wird in EP 1 517 173 A1 beschrieben.
Die Offenbarung von US 2005/0259999 A1 betrifft eine optische Anordnung und einen Schaltkreis unter Nutzung einer Phasenmodulation.
US 2005/0135733 A1 betrifft einen integrierten optischen Schleifenspiegel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, eine verbesserte Einkoppelstruktur zur Einkopplung in photonische Kristalle oder Quasikristalle zur Verfügung zu stellen, die insbesondere den Überlapp der Modenfelder der einkoppelnden Struktur und des PhC (in den mit der Struktur eingekoppelt wird) optimieren.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Interferenzanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Arbeitsverfahren gemäß Anspruch 38 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Interferenz – anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann in Form von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die einzelnen erfindungsgemäßen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen in beispielhaften Konfigurationen in Kombination miteinander verwirklicht sind, müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung (die durch die anhängenden Ansprüche in ihrem Schutzumfang bestimmt wird) nicht in genau den gezeigten Beispielkombinationen verwirklicht sein, sondern können auch in anderen Kombinationen verwirklicht werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der gezeigten Beispielkombinationen weggelassen werden oder auch mit anderen Einzelmerkmalen anders als gezeigt kombiniert werden.
Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung basiert darauf, die bisher verwendeten einfachen Kopplungsstrukturen durch komplexe, modenspezifische Einkopplungsstrukturen zu ersetzen, die durch simultane Einkopplung zweier oder mehrerer elektromagnetischer Strahlungsfelder (insbesondere über zwei oder mehr Streifen- oder Rippenwellenleiter) in den PhC, insbesondere in einen PhC-Wellenleiter, einen weitaus besseren Überlapp der Modenfelder erreichen. Hierbei erzeugen die einzelnen eingekoppelten Strahlungsfelder bzw. die einzelnen Feldbeiträge durch Superposition ein definiertes Interferenzmuster, das die PhC-Wellenleitermoden anregt. Zur optimalen Anregung komplexer PhC-Moden können dabei durch geeignete Anordnung, Ausbildung und Ausrichtung einer Einkoppelstruktur die Intensität, die Phasenlage, der Polarisationszustand und die Einkopplungsgeometrie (beispielsweise Einkoppelwinkel) für die einzelnen Strahlungsfelder bzw. Feldbeiträge (also insbesondere für die einzelnen zur Einkopplung verwendeten Streifen- bzw. Rippenwellenleiter) in geeigneter Weise gewählt werden. Die erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung mit ihrer Einkoppelstruktur und ihrem PhC kann prinzipiell ebenso zur Auskopplung von Licht aus komplexen PhC-Wellenleitermoden beispielsweise in Rippen- oder Streifenwellenleiter verwendet werden.
Die erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung verwirklicht somit eine Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in den PhC nicht nur bei einfachen Lichtfeldverteilungen, sondern auch bei sehr komplexen Moden photonischer Kristall-Bauelemente. Die Einkopplung kann dabei insbesondere aus zwei oder mehr Streifen- oder Rippenwellenleitern in einen photonischen Kristallwellenleiter erfolgen, der beispielsweise in einer zweidimensional strukturierten Schicht verlaufen kann. Die vorliegende Erfindung realisiert somit eine Einkopplung in Moden mit komplexen Profilen (mehrere laterale Knoten) beispielsweise durch mehrere Streifen- oder Rippenwellenleiter.
Die erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung weist hierzu eine Einkoppelstruktur bzw. eine Lichtführungsvorrichtung auf, die zwei oder mehr Lichtstrahlen an der Eintrittsstelle des PhC der optischen Interferenzanordnung mit einer Abmessung bevorzugt in der Größenordnung der halben Lichtwellenlänge zusammenführt. Dabei kann die Eintrittsstelle (nachfolgend auch als Eintrittsbereich oder Einkoppelstelle bezeichnet) auf Seiten des PhC (insbesondere: eines PhC-Wellenleiters) strukturell modifiziert sein. Durch die nachfolgend noch im Detail beschriebene Ausbildung, Anordnung und Ausrichtung der Einkoppelstruktur und die sich dadurch ergebende Interferenz mehrerer elektromagnetischer Feldbeiträge bei der Einkopplung lässt sich eine elektromagnetische Feldverteilung erzielen, die mit der Feldverteilung der anzuregenden Lichtmode im photonischen Kristall oder Quasikristall sehr gut übereinstimmt. Damit kann in größerem Umfang elektromagnetische Strahlung bzw. Licht eingekoppelt werden. In den PhC wird somit erfindungsgemäß per Interferenzstruktur eingekoppelt, bzw. es werden erfindungsgemäß modenfeldangepasste Interferenzmuster erzeugt.
Eine erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung weist hierzu neben dem photonischen Kristall oder Quasikristall die vorbeschriebene Einkoppelstruktur auf, die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass durch sie in einem an der Oberfläche, auf der Oberfläche und/oder im Inneren des photonischen Kristalls oder Quasikristalls angeordneten Eintrittsbereich (Einkoppelstelle) des photonischen Kristalls oder Quasikristalls die mehreren elektromagnetischen Feldbeiträge in einem vordefinierten Interferenzmuster zur Interferenz gebracht werden.
Wie dies nachfolgend noch im Detail beschrieben wird, kann die Einkoppelstruktur hierzu mehrere Strukturteilabschnitte, die insbesondere als mehrere einzelne Wellenleiter ausgebildet sein können (insbesondere: Streifen- oder Rippenwellenleiter), aufweisen, die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sind, dass durch sie mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder oder Strahlungsfeldabschnitte in Form von mehreren elektromagnetischen Feldbeiträgen im Eintrittsbereich zur Interferenz gebracht werden können. Auch wenn beim Vorhandensein mehrerer Strukturteilabschnitte letztere in der Regel als Wellenleiter in Form von Streifen- oder Rippenwellenleitern ausgebildet sind, so muss dies nicht der Fall sein, d. h., die Strukturteilabschnitte können grundsätzlich auch anders strukturiert sein, um die vorbeschriebene Funktion zu erfüllen. Nachfolgend werden dennoch zur Vereinfachung die Begriffe des Strukturteilabschnitts, des Wellenleiters (der Einkoppelstruktur, nicht derjenige des PhC) und des Streifen- bzw. Rippenwellenleiters synonym verwendet.
Wie nachfolgend beschrieben, kann das erfindungsgemäße, vordefinierte Interferenzmuster im Eintrittsbereich des PhC jedoch auch (unter Verzicht auf die Strukturteilabschnitte bzw. Streifen- oder Rippenwellenleiter) dadurch realisiert werden, dass die Einkoppelstruktur ein optisches System zum Fokussieren und zum Erzeugen eines Interferenzmusters umfasst, wobei das optische System so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass hierdurch mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder oder -feldabschnitte auf den PhC fokussierbar und in diesen einkoppelbar und als die mehreren elektromagnetischen Feldbeiträge im Eintrittsbereich zur Interferenz bringbar sind. Die vorliegende Erfindung kann somit auch durch Überlagerung von Freistrahlbeiträgen bzw. durch Freifeldeinkopplung realisiert werden. Auch dies wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Die vorliegende Erfindung lässt sich somit dadurch realisieren, dass außerhalb des PhC mehrere Wellenleiter (Streifen- oder Rippenwellenleiter oder auch andere Wellenleitertypen) auf eine Stelle zulaufen (Eintrittsbereich), die ungefähr die Größe der Gitterkonstante des photonischen Kristalls hat, die bei photonischen Kristallen in etwa der halben Lichtwellenlänge (also λ/2) entspricht. Innerhalb des PhC liegt dann ein Wellenleiter vor, der eine vergleichbare Breite hat und seinerseits im Eintrittsbereich strukturell modifiziert sein kann (beispielsweise durch eine andere Größe oder eine andere Anordnung von Löchern).
Ebenso lässt sich die vorliegende Erfindung jedoch dadurch realisieren, dass sich außerhalb des PhC eine Fokussieroptik befindet, die mit einer Vorrichtung zur Erzeugung komplexer Interferenzmuster (beispielsweise Phasenplatte) verbunden ist und die auf eine Stelle (Eintrittsbereich) der ungefähren Größe λ/2 fokussiert. Hierzu können beispielsweise beugungsbegrenzte Linsensysteme eingesetzt werden. Innerhalb des PhC kann wie bei der vorbeschriebenen Variante ein Wellenleiter (beispielsweise durch ein Band bzw. eine Anordnung von fehlenden oder verkleinerten Löchern) realisiert sein. Es können somit verschiedenartige Strukturen zum Einsatz kommen, um die vorliegende Erfindung zu realisieren.
Im Eingangsbereich des photonischen Kristalls (Eintrittsbereich) wird somit erfindungsgemäß die Geometrie der Wellenleiter sowie die Intensität, Phasenlage und Polarisation der von ihnen geführten elektromagnetischen Strahlung so gewählt, dass durch Interferenz eine Feldverteilung erreicht wird, die möglichst optimal der Feldverteilung der Moden des Photonischen Kristalls entspricht. Diese Modenfeldanpassung kann durch unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen, die nachfolgend noch im Detail beschrieben werden, realisiert sein. So ist es beispielsweise möglich, Zuleitungswellenleiter (also Wellenleiter der verwendeten Einkoppelstruktur) nicht direkt mit dem PhC der optischen Interferenzanordnung zu verbinden, sondern nur bis auf einen Abstand von etwa einer Wellenlänge an den Eintrittsbereich heranzuführen und die elektromagnetische Strahlung (die nachfolgend alternativ auch vereinfacht als Licht bezeichnet wird) in einen im PhC ausgebildeten Wellenleiter als evaneszente Welle einzukoppeln. Die Zuleitungswellenleiter können dabei statt als Streifen- oder Rippenwellenleiter auch beispielsweise als Wellenleiter ausgebildet sein, die aus gekoppelten Mikroresonatoren bestehen.
Soll im PhC der optischen Interferenzanordnung eine lokale, lateral begrenzte Lichtleitung realisiert werden (PhC-Wellenleiter), so muss der verwendete Kristall die vorbeschriebene photonische Bandlücke (Wellenlängenbereich, bei dem keine Lichtleitung möglich ist) aufweisen, die zumindest bei einer der beiden möglichen Polarisationen besteht. Ein solcher (beispielsweise mit einer fehlenden Lochreihe) realisierter PhC-Wellenleiter stellt einen funktionalen Defekt dar, bei dem das ideale Gitter unterbrochen ist und der deshalb bei bestimmten Wellenlängen im Bereich der Bandlücke eine lokale Lichtleitung ermöglicht. Soll demgegenüber in einen idealen photonischen Kristall Licht eingekoppelt werden, so muss dies bei Wellenlängen oder Polarisationen erfolgen, bei denen keine photonische Bandlücke vorliegt.
Erfindungsgemäß können sowohl zweidimensional, also in einem zweidimensional (2D-) strukturierten Raumkörper ausgebildete PhC als auch dreidimensionale PhC oder 2D–3D-hybrid-photonische Kristalle verwendet werden. Dreidimensionale PhC bestehen nicht aus einer Schicht, die periodisch strukturiert ist, sondern sind in allen drei Raumrichtungen periodisch. Ein PhC-Wellenleiter in einem dreidimensionalen photonischen Kristall kann daher in jeder beliebigen Raumrichtung verlaufen. Demgemäß erfolgt erfindungsgemäß die Einkopplung in einen solchen PhC-Wellenleiter durch nicht-planare Einkoppelstrukturen. Die zur Interferenz an der Einkoppelstelle beitragenden Wellenleiter der Einkoppelstruktur können aus jeder beliebigen Raumrichtung an die Einkoppelstelle des PhC-Wellenleiters geführt werden. Die im Rahmen der Erfindung hierzu bevorzugt eingesetzten Streifen- oder Rippenwellenleiter können dabei freistehend geführt oder auch in ein festes Material zur Stabilisierung eingelagert sein. Der Auftreffwinkel und die Polarisation der einzelnen eingekoppelten Strahlungsfelder bzw. -feldbeiträge können dabei adäquat gewählt werden.
2D–3D-hybrid-photonische Kristalle sind photonische Kristalle, die aus verschiedenen Teilbereichen bestehen, die jeweils als dreidimensionaler photonischer Kristallbereich oder als zweidimensionaler photonischer Kristallbereich ausgebildet sind. Beispiel hierfür ist eine vertikale Stapelung von abwechselnd einer photonischen Kristallschicht (zweidimensionaler photonischer Kristallbereich) und einer dreidimensionalen photonischen Kristallstruktur (dreidimensionaler photonischer Kristallbereich). Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht beispielsweise darin, dass die Eigenschaften zweidimensionaler photonischer Kristalle mit ihren komplexen funktionalen Defekten besser genutzt werden können, weil durch die angrenzenden Bereiche aus dreidimensionalen photonischen Kristallen die Abstrahlung von Licht in die dritte Dimension unterdrückt wird und damit eine wichtige Leistungsverlustquelle ausgeschaltet wird. Die Einkopplung erfolgt dabei genau wie bei zweidimensionalen photonischen Kristallen oder bei dreidimensionalen photonischen Kristallen (s. nachfolgende Detailbeschreibung). Da die Hybridstruktur beträchtliche Ausmaße in der dritten Dimension hat, kommt ebenso wie bei den dreidimensionalen PhC die Einlagerung der Zuleitungswellenleiter in ein Stabilisierungsmaterial in Betracht.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung an Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines freistehenden photonischen Kristalls mit PhC-Wellenleiter;
2–4 Einkoppelstrukturen gemäß dem Stand der Technik;
5–13 erfindungsgemäße optische Interferenzanordnungen, die auf dem Vorhandensein von mehreren Strukturteilabschnitten in Form von Streifen- oder Rippenwellenleitern basieren;
14 den Aufbau eines Streifen- und eines Rippenwellenleiters, wie sie im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können;
15 Beispiele für symmetrische und asymmetrische Splitterelemente, wie sie im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können;
16–19 optische Interferenzanordnungen gemäß der Erfindung, die mittels eines optischen Systems zum Fokussieren und zum Erzeugen eines Interferenzmusters ausgebildet sind;
20 ein mögliches Herstellungsverfahren für eine optische Interferenzanordnung gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines freistehenden, zweidimensionalen photonischen Kristalls, der in Form eines hexagonalen Lochgitters (Gitterkonstante 610 Nanometer, Lochdurchmesser 400 Nanometer) in einer 270 Nanometer dicken Siliziumschicht eines SOI-Wafers lithographisch hergestellt und durch anschließendes Unterätzen der 2 Mikrometer dicken Oxidschicht im HF-Dampf freigelegt wurde. Der abgebildete zweidimensionale photonische Kristall kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Er enthält einen W1-Wellenleiter, der durch Auslassen einer Lochreihe erzeugt wurde; Einkoppelstrukturen sind hier nicht abgebildet.
2–4 zeigen das Prinzip einer einfachen Stoßeinkopplung in einen photonischen Kristall, wie es im Stand der Technik realisiert ist. 2: einfache Stoßeinkopplung zwischen einem Streifenwellenleiter, der einstückig mit dem photonischen Kristall ausgebildet ist bzw. mit letzterem verbunden ist, und einem Wellenleiter, der durch Auslassen einer Lochreihe im photonischen Kristall realisiert ist. 3: einfache Stoßkopplung zwischen einem Streifenwellenleiter in Taperform und einem Wellenleiter im photonischen Kristall. 4: Stoßkopplung zwischen einem Streifenwellenleiter und einem Wellenleiter im photonischen Kristall mit Taperabschluss. Mithilfe des Tapers wird der Überlapp der Feldmoden des dielektrischen Wellenleiters und des Wellenleiters im photonischen Kristall verbessert.
5 zeigt eine erste optische Interferenzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese weist einen photonischen Kristall 1 auf, in dem durch Auslassen einer Lochreihe bzw. durch fehlende Löcher im ansonsten vollständig periodischen Kristallgitter eine Wellenleiterstruktur 15 realisiert ist. An diese Wellenleiterstruktur 15 ist eine Einkoppelstruktur 2 der optischen Interferenzanordnung wie folgt angekoppelt: Die Einkoppelstruktur 2 umfasst einen ersten Wellenleiter 6, der hier als Streifenwellenleiter ausgebildet ist, dem ein einzelnes elektromagnetisches Strahlungsfeld, hier in Form von sichtbarem Licht einer vordefinierten Wellenlänge zugeführt werden kann (links in der Figur). Im Strahlengang nach dem ersten Wellenleiter 6 und mit diesem in Form einer einstückigen Verbindung verbunden ausgebildet weist die Einkoppelstruktur 2 ein asymmetrisch ausgebildetes Splitterelement 7 zum Auftrennen des einzelnen elektromagnetischen Strahlungsfeldes in zwei elektromagnetische Strahlungsfelder bzw. -teilfelder auf.
Die asymmetrische Ausbildung des Splitterelementes 7 ist dergestalt, dass einer der beiden Splitteräste (oberer Ast) für das von ihm fortgeleitete elektromagnetische Strahlungsfeld einen um einen vorbestimmten Wert verlängerten (gegenüber dem Lichtweg des anderen, im Bild unten gezeigten Splitterelementastes) Lichtweg aufweist. Die Verlängerung des Lichtwegs im oberen Splitterast ist so ausgebildet, dass das Strahlungsfeld in diesem Ast um eine halbe Wellenlänge λ/2 verzögert wird.
Dem oberen Ast des Splitterelements 7 schließt sich ein erster weiterer, hier ebenfalls als Streifenwellenleiter ausgebildeter Wellenleiter 8a an. Dem unteren, zweiten Ast des Splitterelements 7 schließt sich (in Richtung des Strahlengangs gesehen) entsprechend ein zweiter, weiterer Wellenleiter 8b an. Diese beiden weiteren Wellenleiter 8a, 8b (die im Rahmen der Erfindung zur Abgrenzung gegenüber dem vor einem solchen Splitterelement 7 angeordneten Wellenleiter 6 auch als ”zweite” Wellenleiter bezeichnet werden) sind hier beabstandet voneinander und parallel zueinander angeordnet. Der Abstand der beiden Wellenleiter beträgt hier etwa eine Gitterkonstante des photonischen Kristalls 1.
Die vorbeschriebene, einstückig ausgebildete Einkoppelstruktur 2 (also die Elemente 6, 7, 8a und 8b) ist mit dem photonischen Kristall 1 verbunden bzw. grenzt an diesen an. Die Verbindung ist hierbei ebenfalls in Form einer einstückigen Ausbildung der Einkoppelstruktur 2 samt des photonischen Kristalls 1 ausgeführt. Eine solche einstückige Ausbildung der Elemente 1 und 2 der erfindungsgemäßen Interferenzanordnung kann beispielsweise in Silizium erfolgen. Die beiden zweiten Wellenleiter 8a, 8b sind (in Bezug auf ihre Längsachse gesehen) senkrecht auf einer ebenen Oberfläche des photonischen Kristalls 1 angeordnet (diese Oberfläche steht hier senkrecht zur gezeigten Ebene, die diejenige Ebene ist, in der die zweidimensionale Struktur des 2D-Kristalls 1 ausgebildet ist).
Der Eintrittsbereich 3 (die Einkoppelstelle), also der Übergang der beiden zweiten Wellenleiter 8a, 8b in den photonischen Kristall 1, ist hierbei in der vorbeschriebenen 2D-Strukturebene des Kristalls 1 symmetrisch auf den Wellenleiter 15 im Kristall 1 ausgerichtet: Die Längsachsen der beiden zweiten Wellenleiter 8a, 8b und des PhC-Wellenleiters 15 verlaufen somit in ein und derselben Ebene (gezeigte Schnittebene) und parallel zueinander, wobei die Längsachse des PhC-Wellenleiters 15 symmetrisch innerhalb der beiden Längsachsen der Wellenleiter 8a, 8b liegt (Abstand der Längsachse des Wellenleiters 15 von den beiden Wellenleiterlängsachsen der Wellenleiter 8a, 8b jeweils gleich groß).
Durch die vorbeschriebene Struktur wird somit bei Einkopplung eines einzelnen elektromagnetischen Strahlungsfeldes in den ersten Wellenleiter 6 dieses Strahlungsfeld durch das Splitterelement 7 in zwei in den beiden zweiten Wellenleitern 8a, 8b fortgeleitete Strahlungsfelder aufgetrennt, wobei diese beiden Strahlungsfelder aus den beiden zweiten Wellenleitern 8a, 8b im Eintrittsbereich 3 des PhC 1 in Form von zwei elektromagnetischen Feldbeiträgen 4a, 4b in einem vordefinierten Interferenzmuster 5 zur Interferenz gebracht und im PhC-Wellenleiter 15 innerhalb des Kristalls 1 fortgeleitet werden. Das vordefinierte Interferenzmuster ist aufgrund der spezifischen Splitterelementausbildung 7 so geartet, dass eine destruktive Interferenz der beiden Feldbeiträge 4a, 4b im Zentrum des Eintrittsbereichs realisiert ist.
5 zeigt somit das erfindungsgemäße Prinzip der Anregung komplexer Moden im photonischen Kristall-Wellenleiter 1, 15 durch Interferenz von Beiträgen verschiedener dielektrischer Wellenleiter 8a, 8b. Der PhC 1 und die Wellenleiter 8a, 8b sind in Aufsicht skizziert. Die gepunkteten Bereiche zeigen eine Momentaufnahme der elektromagnetischen Feldverteilung, die durch periodische Vorzeichenwechsel gekennzeichnet ist. Die elektromagnetischen Felder der zur Einkopplung eingesetzten dielektrischen Wellenleiter 8a, 8b werden wie gezeigt über den Splitter 7 mit der geeigneten Intensität und Phasenlage so erzeugt, dass destruktive Interferenz auftritt. Im photonischen Kristallwellenleiter 1 werden durch Superposition der beiden Feldbeiträge 4a, 4b der beiden dielektrischen Wellenleiter 8a, 8b komplexe Wellenleitermoden (Blochmoden) angeregt.
Es erfolgt somit eine Interferenz zweier phasenverschobener Felder, die durch die lateral versetzten Streifenwellenleiter 8a, 8b erzeugt werden und eine PhC-Wellenleitermode mit einem zentralen Feldknoten anregen. Die Felder der beiden parallelen Wellenleiter 8a, 8b können wie gezeigt durch Aufsplitten des Strahlungsfeldes eines einzelnen Streifenwellenleiters 6 und Einführung einer Phasenverschiebung durch unterschiedliche optische Weglängen erzeugt werden. Im PhC-Wellenleiter wird eine Blochmode angeregt, die mit gitterperiodischer Intensitätsverteilung propagiert. Entscheidend für die effiziente Anregung dieser Blochmode ist die Erzeugung eines lateralen Feldverlaufs mit einem Intensitätsminimum (Knoten) durch destruktive Interferenz bzw. durch Interferenz der beiden gegenphasigen Beiträge 4a, 4b der Streifenwellenleiter 8a, 8b.
6 skizziert eine weitere erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung, die grundsätzlich wie die in 5 gezeigte aufgebaut ist, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden. Das Splitterelement 7 trennt hier das ursprünglich einzelne Strahlungsfeld in drei Strahlungsfelder auf, die dann durch drei parallel zueinander angeordnete Streifenwellenleiter 8a, 8b und 8c in den photonischen Kristall 1 eingekoppelt werden. Die drei Wellenleiter 8a–8c verlaufen hier in einer Ebene (2D-Strukturebene des Kristalls 1); zwei unmittelbar benachbarte Wellenleiter 8a–8c weisen dabei jeweils denselben Abstand auf wie in 5. Der PhC-Wellenleiter 15 im Kristall 1 ist hier durch eine verkleinerte Lochreihe ausgebildet.
Durch geeignete Ausbildung der drei Äste des Splitterelements 7 werden die beiden außen liegenden Feldanteile (diejenigen in dem Wellenleiter 8a und dem Wellenleiter 8c) jeweils um eine halbe Wellenlänge verzögert, so dass die beiden außen liegenden Feldanteile 4a, 4c dem mittig liegenden Feldanteil 4b des mittigen Wellenleiters 8b destruktiv überlagert werden (hierbei werden die Anteile 4a und 4c einander konstruktiv überlagert).
6 zeigt somit eine Koppelstruktur, bei der drei Streifenwellenleiter 8 in einem Kleinloch-PhC-Wellenleiter 1, 15 eine komplexe Wellenleitermode anregen. Die Interferenz der Beiträge der drei dielektrischen Wellenleiter 8a–8c erfolgt dabei so, dass das Feld des zentralen dielektrischen Wellenleiters 8b zu den beiden äußeren Wellenleitern 8a, 8c gegenphasig verläuft.
7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Interferenzanordnung, die grundsätzlich wie die in 5 gezeigte Anordnung ausgebildet ist, so dass nur die Unterschiede beschrieben werden: Anstelle der Einkopplung in einen photonischen Kristall erfolgt hier eine Einkopplung in eine aperiodische photonische Struktur bzw. in einen photonischen Quasikristall. Die Anbindung des photonischen Quasikristalls (Ausbildung der Verbindung zwischen Kristall 1 und Einkoppelstruktur 2) erfolgt in derselben Weise wie in 5 gezeigt. Photonische Quasikristalle verfügen über photonische Bandlücken analog zu periodischen photonischen Kristallen. Diese Bandlücken erlauben ebenfalls den Betrieb von Wellenleitern (Quasikristall-Wellenleiter 15) wie z. B. des gezeigten W1-Wellenleiters, bestehend aus einer fehlenden Lochreihe.
8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung, die grundsätzlich wie die in 6 gezeigte ausgebildet ist, so dass hier nur die Unterschiede beschrieben werden. Anstelle eines PhC-Wellenleiters 15 in Form einer verkleinerten Lochreihe ist im hier gezeigten photonischen Kristall 1 in oberflächennaher Position (also im Abstand von einigen wenigen Gitterlängen des Kristalls 1 zum Eintrittsbereich 3) ein Mikroresonator in Gestalt eines Punktdefekts 16 bestehend aus einem Loch reduzierter Größe ausgebildet. Diese Konfiguration dient somit der Anregung von Moden funktionaler Defekte im photonischen Kristall.
Dabei muss die Dimensionierung der strukturellen Details der Einkoppelstelle 3 wie auch der Verlauf der Kopplungswellenleiter bzw. zweiten Wellenleiter 8a–8c dem Modenfeld des funktionalen Defekts 16 (hier als sechs Feldmaxima unterschiedlicher Polarität gezeichnet) angepasst sein, da funktionale Defekte 16 genau wie die PhC-Wellenleiter 15 nach dem Prinzip der Modenfeldanpassung angeregt werden.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Anregung von Moden funktionaler Defekte; die Konfiguration ist hier dieselbe wie in 8, lediglich der Abstand des funktionalen Defekts von der Einkoppeloberfläche bzw. dem Eintrittsbereich 3 des photonischen Kristalls 1 ist auf ca. den fünffachen Wert vergrößert. Zudem ist der Bereich im photonischen Kristall 1 zwischen Einkoppelbereich 3 und Punktdefekt 16 abschnittsweise in einem dem Eintrittsbereich zugewandten Abschnitt als PhC-Wellenleiterabschnitt ausgebildet. In diesem Beispiel wird somit der funktionale Defekt 16 indirekt über einen PhC-Wellenleiterabschnitt angeregt. Im Unterschied zum in 8 gezeigten Fall erfolgt zudem die Einkopplung gemäß der in 5 gezeigten Einkoppelstruktur 2 (zwei zweite Wellenleiter 8a, 8b).
Weitere erfindungsgemäße optische Interferenzanordnungen zeigen die 10 bis 13 in Form von Schnitten durch die 2D-Strukturebene der photonischen Kristalle bzw. Quasikristalle 1 (jeweils links in den Figuren bzw. oben in 12). Hierbei handelt es sich um konkrete Anordnungen zur Anregung bestimmter PhC Wellenleitermoden, wobei die Lichtausbreitungseigenschaften der Strukturen durch Finite-Zeitdifferenzen-Simulationen im Detail untersucht wurden. Die Figuren zeigen jeweils rechts (in 12 unten) neben der schematischen Darstellung der Einkoppelstrukturgeometrie die entsprechenden Transmissionskurven der Einkopplung. Dabei ist jeweils auf der vertikalen Achse die relative Transmission und auf der horizontalen Achse die Wellenlänge (in Mikrometern) dargestellt.
Jede gezeigte optische Interferenzanordnung weist neben einer Einkoppelstruktur 2 bzw. den entsprechenden zweiten Wellenleitern 8a, 8b (zu dieser Einkoppelstruktur 2 gehört in 13 auch ein kurzer Fortsatz 17 des PhC-Wellenleiters 15) eine bezüglich ihrer Struktur und Geometrie identisch ausgebildete, jedoch spiegelsymmetrisch angeordnete Auskoppelstruktur auf. Diese Auskoppelstruktur ist jeweils mit einem Hochstrich ' gekennzeichnet (die Spiegelsymmetrieebene S ist eine Ebene senkrecht zur gezeigten 2D-Strukturebene bzw. Querschnittsebene, die senkrecht zu dem im Kristall 1 ausgebildeten PhC-Wellenleiter 15 angeordnet ist und die von der Einkoppelebene (jeweils links im Bild) bzw. derjenigen Oberfläche des Kristalls 1, durch die über die Wellenleiter 8 bzw. die Einkoppelstruktur 2 elektromagnetische Strahlung in den Kristall 1 eingekoppelt wird, einen ebenso großen Abstand aufweist (die beiden Ebenen sind parallel angeordnet) wie von der entsprechenden Auskoppelebene rechts im jeweiligen Bild. Somit ist die optische Interferenzanordnung (also sowohl der photonische Kristall 1 als auch die Einkoppelstruktur 2) spiegelsymmetrisch zu dieser Spiegelsymmetrieebene S ausgebildet.
Die 10 bis 13 zeigen exemplarisch Strukturen zur Anregung komplizierter PhC-Wellenleitermoden durch Überlagerung der Felder von mehreren (hier jeweils zwei) Streifenwellenleitern 8a, 8b. Es handelt sich hier um zwei oder mehr (letzteres nicht gezeigt) Streifenwellenleiter, die auf verschiedene Weise am Eingang des PhC-Wellenleiters bzw. an die im Kristall 1 ausgebildete Wellenleiterstruktur 15 angekoppelt sind, so dass die durch diese Wellenleiter 8a, 8b in den Eintrittsbereich 3 eingekoppelten elektromagnetischen Feldbeiträge in einem vordefinierten Interferenzmuster zur Interferenz gebracht, im PhC-Wellenleiter 15 durch den Kristall 1 weitergeleitet und über die spiegelsymmetrisch angeordnete Auskoppelstruktur 2' bzw. 8'a, 8'b ausgekoppelt werden.
Dies schließt auch eine signifikante Modifikation des Kristalls im Koppelbereich bzw. im Eintrittsbereich 3 ein (vgl. 12).
Die vorgestellten Beispiele beziehen sich auf hexagonale Lochgitter in dünnen Scheiben (sogenannte Slabs) aus hochbrechendem Material mit eingearbeiteten Wellenleitern 15 in Form von fehlenden (10–12) oder verkleinerten (13) Löchern. Die gezeigten Transmissionskurven charakterisieren die Leistung am Ausgang des PhC-Wellenleiters 15 bezogen auf die eingespeiste Leistung am Eingang. Die Transmission wird von verschiedenen Parametern wie Gruppengeschwindigkeit, Verlust durch konkurrierende resonante Moden, Reflexion an Aus- und Eingang und auch der Länge des Wellenleiters beeinflusst und hängt somit stark von der Ausgestaltung der Einkoppelstruktur 2 und/oder des Eintrittsbereichs 3 ab.
10 zeigt die Anordnung zur Anregung eines lateral asymmetrischen TE-Modes in der zweiten TE-Bandlücke eines W1-Wellenleiters. Der Mode zeichnet sich durch eine extrem geringe Gruppengeschwindigkeit aus. Die Wellen der beiden Streifenwellenleiter 8a, 8b müssen entsprechend gegenphasig sein. Die beiden Streifenwellenleiter 8a, 8b sind hierbei parallel zueinander und beabstandet voneinander mit dem Eintrittsbereich 3 verbunden bzw. an diesen angeflanscht (einstückige Ausbildung von Struktur 2 und Kristall 1). Es liegt somit ein asymmetrischer W1-Wellenleitermode in der Bandlücke zweiter Ordnung vor. Die Anregung erfolgt (nicht gezeigt) gegenphasig durch die beiden geraden Streifenwellenleiter 8a, 8b. Die Geometrie der Einkoppelstrukturen und des photonischen Kristalls 1 ist auf eine Wellenlänge von 193,6 Terahertz (entsprechend 1,548 Nanometer) ausgerichtet. In diesem Beispiel können rund 2% der Leistung eingekoppelt werden (symmetrische Stoßkopplung, vgl. 10 rechts). Die Koppeleffizienz ist aufgrund der geringen Gruppengeschwindigkeit und Bandbreite vergleichsweise gering, die Anregung des Modes ist jedoch erfolgreich. Durch Reflexionen an den Rändern und durch die Präsenz leicht unterschiedlicher Wellenvektoren bei endlicher Wellenleiterlänge ergibt sich eine unregelmäßige Verteilung des Feldes entlang des Wellenleiters (nicht gezeigt). Die PhC-Gitterkonstante beträgt 682 Nanometer, der Lochdurchmesser im Kristall 400 Nanometer. Der Abstand der Streifenwellenleiter 8a, 8b beträgt 1772 Nanometer, die Breite der Streifenwellenleiter (Ausdehnung in der gezeigten Ebene und senkrecht zur Längsachsrichtung der Streifenwellenleiter) beträgt 443 Nanometer.
11 zeigt die Einkopplung eines TM-Modes mit lateraler Symmetrie. Die Anregung erfolgt hier ähnlich wie in 10 gezeigt, jedoch gleichphasig: lateralsymmetrischer W1-Wellenleitermode in der Bandlücke zweiter Ordnung ungerader Symmetrie (Silizium-Slab, Dicke 473 Nanometer). Die Anregung erfolgt gleichphasig durch zwei bogenförmige Streifenwellenleiter 8a, 8b, die zunächst parallel und beabstandet voneinander auf den Eintrittsbereich 3 zulaufen und deren Abstand voneinander sich zum Eintrittsbereich 3 hin gesehen auf etwa eine Breite eines Streifenwellenleiters verringert. Die Anordnung ist auf eine Frequenz von 193,46 Terahertz (entsprechend 1549 Nanometer) optimiert. Die Einkopplung erreicht eine Transmission zwischen 20% und 30% Die Transmissionsmaxima und -minima entstehen durch Fabry-Perot-Resonanzen. Auch hier ergibt sich durch Reflexionen an den Rändern und die Präsenz leicht unterschiedlicher Wellenvektoren bei endlicher Wellenleiterlänge eine ungleichmäßige Verteilung des Feldes entlang des Wellenleiters (nicht gezeigt). Die PhC-Gitterkonstante beträgt 609 Nanometer, der Lochdurchmesser 400 Nanometer. Die Anbindung bzw. Einkopplung erfolgt durch in Richtung auf den Kristall 1 hin aufeinander zulaufende Bogenabschnitte der Wellenleiter 8a, 8b, die 60°-Kreissegmente darstellen. Die PhC-Einkoppelkante liegt auf der Lochmitte. Der Mittelpunkt eines Kreissegments liegt 1142 Nanometer von der PhC-Kante entfernt und ist gegenüber der Wellenleitermitte 132 Nanometer versetzt. Vom Eintrittsbereich 3 in Richtung außerhalb des Kristalls 1 gesehen schließen sich den Bogenabschnitten gerade Abschnitte der Wellenleiter 8a, 8b an, die parallel zueinander und beabstandet voneinander verlaufen (Abstand dieser Streifenwellenleiterabschnitte: 2901 Nanometer, Breite: 527 Nanometer; Bogenabschnitte: Innenradius 1055 Nanometer und Außenradius 1582 Nanometer).
12 zeigt eine Einkopplung, bei der der Kristall 1 im Eingangsbereich der Wellenleiter 8a, 8b bzw. im Eintrittsbereich 3 signifikant modifiziert ist. Die Streifenwellenleiter 8a, 8b und der Kristall 1 gehen über eine im Eintrittsbereich 3 ausgebildete Taperstruktur ineinander über (einstückige Ausbildung der Wellenleiter 8a, 8b bzw. der Einkoppelstruktur 2 sowie des Kristalls 1 samt des Eintrittsbereichs 3). Es wird ein lateral asymmetrischer Wl-Wellenleitermode in der Bandlücke erster Ordnung gerader Symmetrie angeregt (Silizium-Slab, Dicke 110 Nanometer). Die Anregung erfolgt gegenphasig durch die Streifenwellenleiter 8a, 8b, die mit einer Erweiterung bzw. einem Teilabschnitt des Eintrittsbereiches 3 des photonischen Kristalls einen Taper bilden. Die Struktur ist auf 194,42 Terahertz (1542 Nanometer) optimiert. Für den lateral ungeraden W1-Wellenleitermode mit einem Knoten in der fundamentalen Bandlücke gerader Symmetrie (Slabdicke 110 Nanometer) wird durch Paralleltaperung eine Transmission von bis zu 70% je Taper erreicht (12 unten). Die PhC-Gitterkonstante beträgt 608 Nanometer, der Lochdurchmesser 400 Nanometer. Der Abstand der Streifenwellenleiter 8a, 8b außerhalb des Taperbereiches bzw. Eintrittsbereiches 3 beträgt 1848 Nanometer, die Breite 528 Nanometer. Die Bemaßungen im Eintrittsbereich 3 ergeben sich entsprechend aus dem in der gezeigten Figur vorliegenden Winkel.
13 zeigt schließlich ein Beispiel für die Einkopplung in einen Kleinlochwellenleiter. Die zweiten Wellenleiter 8a, 8b sind hier wie in 11 gezeigt ausgebildet, angeordnet und mit dem Kristall 1 verbunden. Auf Höhe des PhC-Wellenleiters 15 und in Richtung von dessen Längsachse gesehen weist der Kristall 1 im Eintrittsbereich 3 einen (von der Symmetrieebene S gesehen) nach außen vorstehenden, also in Richtung auf die geraden Abschnitte der Wellenleiter 8a, 8b gerichteten kurzen Fortsatz 17 auf. Es wird ein lateralsymmetrischer Kleinloch-Wellenleitermode in der Bandlücke zweiter Ordnung ungerader Symmetrie angeregt. Die Anregung erfolgt gleichphasig durch die beiden gebogenen Streifenwellenleiterabschnitte und den kurzen Fortsatz 17 des PhC-Wellenleiters 15. Die Struktur ist auf 193,458 Terahertz (1,549 Nanometer) optimiert. Es wird eine Transmission von bis zu 16% erreicht. Die PhC-Gitterkonstante beträgt 609 Nanometer, der Lochdurchmesser 400 Nanometer. Der Kleinlochradius des PhC-Wellenleiters beträgt 316 Nanometer.
Wie die vorstehenden 10 bis 13 zeigen, kann erfindungsgemäß zur Optimierung der Einkopplung sowohl die Geometrie der Streifen- bzw. Rippenwellenleiter als auch diejenige der Einkoppelstelle (Form, Größe, Ausrichtung und/oder Position der Strukturelemente) des photonischen Kristalls optimiert werden.
Im Rahmen der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen optischen Interferenzanordnungen bzw. ganz allgemein im Rahmen der Erfindung können die folgenden Geometrien, Intensitäten, Phasenlagen und Polarisationszustände verwirklicht werden:

• Geometrie der zweiten Wellenleiter: – Lateraler Abstand der Wellenleiter von null (d. h. Zusammenführung schon außerhalb des eigentlichen PhC, s. zum Beispiel 12 bis hin zu einigen Gitterkonstanten). – Auftreffwinkel der Wellenleiter von 90° (senkrechte Ankopplung) bis nahe 0° (beinahe parallel zur PhC-Kante). – Krümmungsradien von unendlich (gerader Wellenleiter) bis unter eine Gitterkonstante (extreme Biegung). – Kombination gebogener und gerader Wellenleiterabschnitte. Prinzipiell sind beliebige Wellenleiterverläufe möglich. – Verbindungsstrukturen außerhalb des eigentlichen PhC zwischen den einzelnen Wellenleitern. Diese Strukturen können sehr kompliziert und ausgedehnt (12) oder auch einfach und klein (13) sein. Sie können sich langsam zwischen die Wellenleiter einfügen, wie in 12 anhand der Spitze links gezeigt, oder beispielsweise nur sehr kurz und ohne speziellen Abschluss (13). Möglich ist die Fortführung von Lochreihen aus dem PhC heraus wie in 7, wobei typischerweise ein bis fünf Lochreihen pro Seite, aber durchaus auch mehr möglich sind. Die Fortführung kann dabei gerade (wie in 12), winklig oder gebogen sein. Die Löcher der Fortführung können einen Radius von nahe null bis hin zu einer Gitterkonstante oder sogar noch größer haben. In den gezeigten Beispielen der 12 und 13 werden die Löcher mit unverändertem Radius verwendet, wobei in 12 der Lochradius dem des PhC-Gtters entspricht, in 13 jedoch dem des Kleinlochwellenleiters. Auch können Lochformen von der Kreisform abweichen, z. B. als elliptische oder anderweitig elongierte Löcher. Prinzipiell sind im Rahmen der lithographisch erzielbaren Strukturgenauigkeit beliebige Lochformen möglich. Lochgröße und Lochform können sich von Loch zu Loch ändern.
• Geometrie der Einkoppelstellen (PhC-seitig): – Lochradien typischerweise von null (kein Loch) bis eine halbe Gitterkonstante, aber auch größer. – Lochformen elliptisch oder anderweitig elongiert. Beliebige Lochformen sind möglich. – Lochgröße und Lochform können sich von Loch zu Loch und von Lochreihe zu Lochreihe ändern. – Auch die Lage der Lochzentren kann variiert werden: Verschiebung einzelner Löcher oder ganzer Lochreihen, gekrümmt verlaufende Lochreihen (Krümmungsradius von unendlich bis einige Gitterkonstanten). – Die Kante des photonischen Kristalls kann beliebig gewählt werden: Wichtige Beispiele sind die mittige Teilung der Löcher oder symmetrischer Verlauf zwischen zwei Lochreihen. Auch winklige oder gebogene PhC-Kanten sind möglich. Prinzipiell kann der Kantenverlauf beliebig gestaltet werden. Auch kann die äußerste Lochreihe gefüllt sein oder einen definierten Abstand (zwischen null und zwei Gitterkonstanten, aber auch mehr) zur PhC-Kante haben.
• Intensität, Phasenlage, Polarisationszustand: – Intensität: Gemeint ist das Verhältnis der Lichtintensitäten der einzelnen zur Interferenz beitragenden Teile der Einkoppelstrukturen (z. B. der einzelnen Zuleitungswellenleiter). Je nach Verhältnis der Lichtleistungen sieht das Interferenzmuster verschieden aus. Überwiegt beispielsweise der Beitrag eines bestimmten Wellenleiters, so wird durch die anderen Wellenleiter nur eine mehr oder minder geringe Variation des Feldes erreicht. In der Regel geht es jedoch um die Erzeugung von Modenfeldern mit zahlreichen Knoten (d. h. Stellen, bei der die Lichtintensität null ist). Daher wird bei Strukturen aus zwei Wellenleitern zumeist die gleiche Leistung gewählt. Bei Strukturen aus drei Wellenleitern (z. B. 6) könnte dagegen z. B. der zentrale Wellenleiter eine höhere Leistung aufnehmen als die beiden Randwellenleiter. Die Gesamtintensität des eingekoppelten Lichts wird durch die geforderten Eigenschaften der in die PhC-Struktur integrierten photonischen Bauelemente, die durch den PhC-Wellenleiter gespeist werden, bestimmt und kann von nahe null (einige Photonen) bis zu Intensitäten gehen, die kurz unterhalb der Zerstörschwelle von Strukturen liegen, welche wiederum stark von den verwendeten Materialien und der exakten Geometrie abhängt. – Phasenlage: Die Phasenlage der einzelnen Felder kann so gewählt werden, dass die jeweilige Lichtmode des PhC-Wellenleiters am besten angenähert wird (optimale Modenfeldanpassung). Bei PhC-Wellenleitermoden mit zentralen Konten wird z. B. die Phasenlage bei nur zwei Streifen-/Rippenwellenleitern gegenphasig gewählt, damit sich an der Stelle des Knotens destruktive Interferenz ergibt. Bei PhC-Wellenleitermoden mit zentralem Intensitätsmaximum wird die Phasenlage z. B. bei nur zwei Streifen-/Rippenwellenleitern gleichphasig gewählt, damit sich an der Stelle des Knotens konstruktive Interferenz ergibt. Bei mehr als zwei Zuleitungswellenleitern kann die Phasenlage der einzelnen Beiträge in flexiblerer Weise variiert werden, wobei auch Asymmetrien in der Geometrie ausgeglichen werden können. – Polarisationszustand: Die Polarisation des Lichts in den Zuleitungswellenleitern oder bei Freistrahlfokussierung (s. nachfolgend) stimmt idealerweise mit der der Polarisation der Lichtmoden der PhC-Wellenleiter überein, denn dann kann am effektivsten Licht in die PhC-Wellenleitermoden eingespeist werden. Für TE-artige Moden (transversal-elektrisch: In der Schichtmitte ist das elektrische Feld in der Schichtebene) ist 10 ein Beispiel, für TM-artige (transversal-magnetisch: In der Schichtmitte steht das elektrische Feld senkrecht zur Schichtebene) 11. Bestmögliche Interferenz setzt zudem Übereinstimmung in der Polarisation der Zuleitungswellenleiterbeiträge voraus. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen nichtübereinstimmende Polarisation der Zuleitungswellenleiterfelder oder Nichtübereinstimmung der zuleitungsseitig erzeugten Felder mit der PhC-Wellenleiterpolarisation Vorteile hat. Ein Beispiel hierfür ist die simultane Anregung einer TE-artigen PhC-Wellenleitermode im Verein mit Anregung von TM-artigen PhC-Grundgittermoden.

14 zeigt als Skizze einen Querschnitt durch erfindungsgemäß verwendbare Streifen- (oben) und Rippenwellenleiter (unten) mit und ohne Substrat. Das Wellenleitermaterial (schwarz) kann entweder freistehend (A, C) oder auf ein anderes Material (Substrat, hell; B, D) aufgebracht sein. In Längsrichtung erstrecken sich die Wellenleiter um ein Vielfaches ihrer Breite, bis sie schließlich im Eintrittsbereich 3 auf den Kristall 1 treffen. Bei den Rippenwellenleitern ist das Licht in der Rippe (schmaler Bereich) konzentriert, obwohl die Anordnung insgesamt erheblich breiter ist. Als Wellenleitermaterial kommt vorrangig Silizium in Frage, als Substratmaterial beispielsweise Siliziumdioxid.
15 zeigt zwei Splitterelemente 7, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar sind: Ein symmetrisch ausgebildetes Splitterelement (oben) und ein asymmetrisches Splitterelement, wie es beispielsweise beim in 5 gezeigten Aufbau verwendet werden kann (unten). Ein Splitter 7 wird vorzugsweise verwendet, da das Licht dann nur in einen einzigen Wellenleiter (ersten Wellenleiter 6) eingespeist werden muss, was den Einspeisungsaufwand verringert. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, lediglich mehrere zweite Wellenleiter 8 vorzusehen, in die dann jeweils getrennt einzelne Strahlungsfelder eingespeist werden.
Mit dem oben gezeigten Splitterelement lässt sich eine gleichphasige Einkopplung erreichen, mit den unten gezeigten eine gegenphasige. Gleichphasigkeit oder Gegenphasigkeit lassen sich natürlich auch erreichen, indem in die verschiedenen Zuleitungswellenleiter jeweils einzeln Licht eingespeist wird und indem die jeweils geforderte Phasenlage des Einzelbeitrags dann durch Lichtwegunterschiede oder Phasenplatten vor der Einspeisung in die Zuleitungswellenleiter erreicht wird. In 15 oben wird somit die Lichtintensität symmetrisch aufgeteilt, was zur gleichphasigen Einkopplung führt, in 15 unten asymmetrisch, was zu einer relativen Phasenverschiebung der beiden Beiträge, also zur gegenphasigen Einkopplung führt.
16 zeigt nun eine optische Interferenzanordnung gemäß der Erfindung, bei der die Einkoppelstruktur 2 auf Basis eines optischen Systems 10 realisiert ist, das zum Fokussieren und zum Erzeugen eines Interferenzmusters ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist. Durch das optische System 10 werden hier zwei elektromagnetische Strahlungsfeldabschnitte eines einzeln eingekoppelten Strahlungsfeldes erzeugt, die dann auf den photonischen Kristall 1 fokussiert werden und als die beiden elektromagnetischen Feldbeiträge 4a, 4b im Eintrittsbereich 3 in einem vordefinierten Interferenzmuster 5 (hier: destruktive Interferenz) zur Interferenz gebracht und im Kristallinneren im dort ausgebildeten PhC-Wellenleiter 15 weitergeleitet werden.
Zur gezeigten Anregung einer komplexen Wellenleitermode im Kristall 1 durch Erzeugen eines Interferenzmusters im Fokus eines kohärenten Lichtstrahls weist das optische System 10 im Strahlengang zunächst eine Phasenplatte 9 auf, die die Hälfte des Strahlungsfeldes um eine halbe Wellenlänge verzögert. Im Strahlengang nach der Phasenplatte ist dann ein Linsensystem 11 (hier als einfache Fokussierlinse eingezeichnet) angeordnet, so dass aus den beiden Wellenfeldhälften im Brennpunkt der Linse, in dem dann der Eintrittsbereich 3 angeordnet ist, ein Interferenzmuster 5 mit zentralem Knoten entsteht.
17 zeigt eine weitere erfindungsgemäße optische Interferenzanordnung, die grundsätzlich wie die in 16 gezeigte aufgebaut ist, also ebenfalls in Form einer frei fokussierenden Anordnung. Nachfolgend werden daher die Unterschiede beschrieben: Im in 17 gezeigten Fall ist das Linsensystem 11 als Immersionsobjektiv realisiert; auf der dem optischen System 10 zugewandten Oberfläche bzw. der Oberfläche des Einkoppelbereichs 3 ist auf dem photonischen Kristall 1 ein Deckglas ausgebildet, das die dem Kristall zugewandte Seite des Immersionsobjektivs 11 abschließt.
Das in 17 gezeigte Immersionsobjektiv bzw. Immersionsöl kann zur Fokussierung mit höchster Auflösung verwendet werden. Der photonische Kristall wird dabei vor der Benetzung mit Öl durch das Deckglas geschützt (der Tropfen Immersionsöl verbindet die Linse mit dem Deckglas). Die Skizze veranschaulicht nur das Prinzip; die gezeigten Komponenten sind nicht maßstabsgetreu abgebildet.
Wie 18 in einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt, kann das Immersionsobjektiv 11 auch durch ein System aus einer Linse 12 und einer zwischen dieser Linse und dem Eintrittsbereich 3 angeordneten Struktur 13 aus einem ausgehärteten Polymer realisiert sein.
Beim Fokussieren mit speziellen Polymeren (18) ist die Fokussierungslinse 12 in starrer Anordnung mithilfe des Polymers 13 mit dem photonischen Kristall 1 verbunden. Besonders gut geeignet sind hierfür optische Polymerklebstoffe (die z. B. durch Ultraviolettlicht ausgehärtet werden). Die Einkoppelstruktur 2 kann jedoch auch als integriert-optische Anordnung mit Mikrolinsensystem hergestellt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel (19) zeigt die Realisierung des optischen Systems 10 auf Basis eines Doppelprismas 14. Dieses System kann insbesondere zur Einkopplung in einen idealen photonischen Kristall, der keine Abweichungen von der Periodizität (bzw. bei Quasikristallen von der Nahordnung) enthält, verwendet werden. Daher erstrecken sich die anzuregenden Lichtmoden in einem idealen photonischen Kristall über sehr viele Gitterkonstanten, im Idealfall sogar über den ganzen Kristall.
Die Einkoppelstruktur 2 ist somit ein Doppelprisma samt geeigneter freier Weglänge zwischen diesem Doppelprisma und der Einkoppeloberfläche des Kristalls 1: Die Einkoppelstruktur 2 erzeugt die Interferenz auf der Eintrittsstelle 3 des photonischen Kristalls mittels zweier großflächig interferierender Wellenfelder auf der Kristalloberfläche. Anstelle eines Doppelprismas kann auch eine Spiegelanordnung verwendet werden.
20 zeigt schließlich beispielhaft ein mögliches Herstellungsverfahren zur lithographischen Herstellung (beispielsweise Photolithographie, Elektronenstrahllithographie oder Nanoimprint-Lithographie) der vorbeschriebenen optischen Interferenzanordnungen: Die photonischen Kristalle selbst können mit nur einem einzigen Lithographieschritt hergestellt werden, vgl. die Figur. Ausgangspunkt ist ein Silicon-on-Insulator-(SOI-)Wafer, der belackt, strukturiert (z. B. durch photolithographische Belichtung), entwickelt und geätzt wird, mit Stopp auf dem ”Buried Oxide” (BOX). Anschließend wird das BOX mittels Dampf-HF entfernt, wobei die Zeit so bemessen ist, dass Bereiche mit PhC-Strukturen sicher freigeätzt sind, aber unstrukturiertes Silizium nur einige Mikrometer weit unterätzt wird. Dadurch entstehen die nötigen Ankerpunkte ohne weitere Lithographie und Prozessschritte. Die Koppelstrukturen schließen sich freistehend an den photonischen Kristall an.
Eine Besonderheit ist hier, dass die Zuleitungswellenleiter streckenweise direkt auf dem BOX verlaufen, weshalb eine zusätzliche Ätzstoppschicht (zweiter Lithographieschritt, nicht gezeigt) in diesen Bereichen während der HF-Dampfätzung benötigt wird, die anschließend wieder entfernt wird.
In einer einfacheren Variante verbleibt der photonische Kristall auf dem BOX (d. h., das BOX wird nicht durch Dampf-HF-Unterätzen entfernt) und wird zusammen mit den Zuleitungswellenleitern durch Deposition von weiterem SiO₂ vollständig in Siliziumdioxid eingebettet. In diesem Fall bleibt es bei einem einzigen Lithographieschritt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind somit insbesondere die folgenden Ausbildungen realisierbar:

1. Auch bei ausgedehnten zweidimensionalen und bei dreidimensionalen photonischen Kristallen sowie bei 2D–3D-hybrid-photonischen Kristallen können durch Interferenz der Felder mehrerer Einkopplungswellenleiter komplexe Wellenleitermoden in fundamentalen Bandlücken und Bandlücken höherer Ordnung angeregt werden.
2. Die Erzeugung komplexer Modenfelder durch Interferenz mehrerer Beiträge kann auch zur Anregung von Moden idealer PhC und zur Anregung von Moden anderer funktionaler Defekte wie z. B. Mikroresonatoren genutzt werden.
3. Auch bei aperiodischen photonischen Strukturen wie z. B. photonischen Quasikristallen kann mithilfe der beschriebenen Interferenzmethode Licht in Wellenleiter dieser Strukturen oder in andere funktionale Defekte ein- und wieder ausgekoppelt werden.
4. Statt über Streifen- oder Rippenwellenleiter kann das Licht auch durch andere Wellenleiterstrukturen an die Einkoppelstelle des PhC herangeführt werden. Auch die Erzeugung eines Interferenzmusters durch Überlagerung von Freistrahlbeiträgen ist ein unmittelbarer Aspekt der Erfindung. In diesem Fall übernimmt der freie Raum oder ein geeignetes Übergangsmedium die Führung der Lichtwellen. Überträgermedien können z. B. Immersionsöle, spezielle Polymere (z. B. optische Klebstoffe), Glas oder andere deponierte Materialien sein. En wichtiges Beispiel dieser Art ist die Fokussierung von Licht auf die Eintrittsstelle im photonischen Kristall durch eine Linse, wobei die gewünschte Intensitätsverteilung im Fokus durch Apodisation erreicht wird (s. 16). Hierbei können sowohl einfache Linsen als auch komplex aufgebaute Linsensysteme (z. B. Achromate), Mikroskopobjektive, Glasfasern mit Linsenabschluss (sogenannte Lensed Fibres) oder Mikrolinsen verwendet werden.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind insbesondere:

1. Die Kopplungsstrukturen ermöglichen die Anregung zahlreicher PhC-Wellenleitermoden, die bisher nur weitaus weniger effizient oder gar nicht genutzt werden konnten. Dies schließt insbesondere Moden in Bandlücken höherer Ordnung ein, die z. B. durch besonders langsame Gruppengeschwindigkeiten gekennzeichnet sind. Bandlücken höherer Ordnung erlauben den Betrieb von Wellenleitern bei Frequenzen, die für Strukturen mit fundamentalen Bandlücken nur bei deutlich kleineren Dimensionen realisiert werden können.
2. Die Streifen- und Rippenwellenleiter, die zur Kopplung an den photonischen Kristall verwendet werden können, können freistehend oder auf einer passenden Schicht befindlich sein. Ebenso kann der photonische Kristall freistehend oder auf einer Schicht befindlich hergestellt werden. Schichtmaterial kann z. B. SiO₂ oder Si₃N₄ sein.
3. Die Größe der Einkoppelstrukturen variiert je nach verwendetem Prinzip. Eine Kombination mit Taperstrukturen kann Strukturlängen bis zu einigen zehn Gitterkonstanten erfassen. Die Breite der Streifenwellenleiter skaliert mit der Frequenz und liegt typischerweise in der Größenordnung der Gitterkonstante. Der Abstand der Streifenwellenleiter ist nicht festgelegt, da eine parallele Anordnung nicht zwingend ist. Der Abstand an der Einkoppelstelle oder beim Übergang in Taperstrukturen kann bis zu einigen Gitterkonstanten betragen.
4. Da sowohl photonische Kristallbauelemente als auch Streifen bzw. Rippenwellenleiter mit der Lichtwellenlänge skalieren, kann durch geeignete Dimensionierung die Kopplungsstelle an die geforderte Arbeitswellenlänge angepasst werden. Auf diese Weise sind innerhalb der absorptionsfreien Spektralbereiche der verwendeten Materialien im Rahmen der technischen Strukturgebungsgrenzen weite Spektralbereiche für die Lichteinkopplung zugänglich. Bevorzugte Wellenlängenbereiche umfassen dabei den sichtbaren (Wellenlängen 400 nm–750 nm) und Infrarotspektralbereiche (nahes Infrarot: 750 nm–3 μm, mittleres Infrarot: 3 μm–50 μm). Grundsätzlich können die Strukturen jedoch auch für andere Spektralbereiche wie Ultraviolett, Terahertz- oder Mikrowellen hergestellt werden. Da die Gitterkonstante der photonischen Kristalle dieselbe Größenordnung wie die Wellenlänge der genutzten Ausbreitungsmoden der PhC-Wellenleiter hat, erstreckt sich der Bereich der Gitterkonstanten größenordnungsmäßig daher von 1 nm bis 10 cm, vorzugsweise von 100 nm bis 100 μm. In einer besonders bevorzugten Ausführung hat die Gitterkonstante Werte zwischen 400 nm und 1000 nm.
5. Die Erfindung kann grundsätzlich auf alle Arten von PhC-Strukturen mit und ohne funktionale Defekte in hoch- und niedrigbrechenden Materialien gleichermaßen angewandt werden. Beispiele sind Silizium-PhC in SOI-Technologie, PhC aus SiO₂ oder Si₃N₄, GaAs-PhC und Polymer-PhC.
6. Die photonischen Kristalle, auf die sich die Erfindung bezieht, können vorzugsweise mit Photolithographie, Elektronenstrahllithographie oder Nanoimprint-Lithographie hergestellt werden. Alternativ können auch elektrochemische, mikrostereolithographische oder holographische Herstellungsverfahren geeignet sein.

Claims

Optische Interferenzanordnung zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in einen photonischen Kristall oder Quasikristall umfassend: den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) und eine Einkoppelstruktur (2), die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass durch sie in einem an der Oberfläche und/oder im Inneren des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) angeordneten Eintrittsbereich (3) des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) mehrere elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) in einem vordefinierten Interferenzmuster (5) zur Interferenz bringbar sind, wobei die Einkoppelstruktur (2) mehrere Strukturteilabschnitte umfasst, die an den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) angrenzen und strukturell mit dem photonischen Kristall oder Quasikristall (1) verbunden sind, und die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sind, dass durch sie mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder oder Strahlungsfeldabschnitte in den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) einkoppelbar und als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind und die Einkoppelstruktur (2) mit mehreren außerhalb des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) angeordneten Wellenleitern (8a, 8b, 8c) oder einer Fokussieroptik, die mit einer Vorrichtung zur Erzeugung komplexer Interferenzmuster gekoppelt ist, gebildet ist, und die Wellenleiter (8a, 8b, 8c) auf den Eintrittsbereich (3), dessen mittlere Ausdehnung größer gleich 0,2 und kleiner gleich 5 Einheiten einer Gitterkonstante des periodischen photonischen Kristalls entspricht, zulaufen oder die Fokussieroptik auf den Eintrittsbereich (3) mit dieser Größe fokussiert.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelstruktur (2) mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder getrennt zuführbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dass mindestens eines dieser mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder durch die mehreren Wellenleiter der Einkoppelstruktur (2) so umlenkbar, verzögerbar und/oder hinsichtlich des Lichtwegs änderbar ist/sind, dass die umgelenkten, verzögerten und/oder hinsichtlich des Lichtwegs geänderten Strahlungsfelder sowie gegebenenfalls nicht umgelenkte, nicht verzögerte und nicht hinsichtlich des Lichtwegs geänderte Strahlungsfelder als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelstruktur (2) zunächst ein einzelnes elektromagnetisches Strahlungsfeld zuführbar ist, das dann durch die Einkoppelstruktur (2) in mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder auftrennbar ist und dass diese mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder durch die Einkoppelstruktur als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dass mindestens eines dieser mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder durch die Einkoppelstruktur (2) so umlenkbar, verzögerbar und/oder hinsichtlich des Lichtwegs änderbar ist/sind, dass die umgelenkten, verzögerten und/oder hinsichtlich des Lichtwegs geänderten Strahlungsfelder sowie gegebenenfalls nicht umgelenkte, nicht verzögerte und nicht hinsichtlich des Lichtwegs geänderte Strahlungsfelder als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) einen ersten Wellenleiter (6), dem das einzelne elektromagnetische Strahlungsfeld zuführbar ist, ein im Strahlengang nach dem ersten Wellenleiter (6) angeordnetes symmetrisches oder asymmetrisches Splitterelement (7) zum Auftrennen des einzelnen elektromagnetischen Strahlungsfelds in die mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder und mindestens zwei weitere, im Strahlengang nach dem Splitterelement (7) angeordnete zweite Wellenleiter (8a, 8b, 8c) aufweist, wobei die zweiten Wellenleiter (8a, 8b, 8c) so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sind, dass durch sie die mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Splitterelement (7) zum Auftrennen des einzelnen elektromagnetischen Strahlungsfelds in die mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder und zum Umlenken und/oder Verzögern mindestens eines dieser mehreren elektromagnetischen Strahlungsfelder ausgebildet ist und/oder ein asymmetrisches Splitterelement ist, und dass die zweiten Wellenleiter (8a, 8b, 8c) so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sind, dass durch sie die umgelenkten, verzögerten und/oder hinsichtlich des Lichtwegs geänderten Strahlungsfelder sowie gegebenenfalls nicht umgelenkte, nicht verzögerte und nicht hinsichtlich des Lichtwegs geänderte Strahlungsfelder als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wellenleiter (6, 8a, 8b, 8c) ein Streifen- oder Rippenwellenleiter oder ein Wellenleiter aus gekoppelten Mikroresonatoren ist und/oder dass das Splitterelement (7) mindestens einen Streifen- oder Rippenwellenleiterabschnitt oder einen Wellenleiterabschnitt aus gekoppelten Mikroresonatoren umfasst.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) oder ein erster Wellenleiter (6), ein zweiter Wellenleiter (8a, 8b, 8c) und/oder ein Splitterelement (7) der Einkoppelstruktur (2) mindestens eine Phasenplatte (9) zum Umlenken, Verzögern und/oder hinsichtlich des Lichtwegs Ändern zumindest eines Teilabschnitts eines Strahlungsfeldes aufweist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass durch sie mindestens zwei elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) in dem vordefinierten Interferenzmuster (5) gleichphasig, also in konstruktiver Interferenz, zur Interferenz bringbar sind und/oder dass die Einkoppelstruktur (2) so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass durch sie mindestens zwei elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) in dem vordefinierten Interferenzmuster (5) gegenphasig, also in destruktiver Interferenz, zur Interferenz bringbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) ein asymmetrisches Splitterelement (7) zum Erzeugen einer gegenphasigen Interferenz mindestens zweier elektromagnetischer Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) aufweist und/oder dass die Einkoppelstruktur (2) ein symmetrisches Splitterelement (7) zum Erzeugen einer gleichphasigen Interferenz mindestens zweier elektromagnetischer Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) aufweist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Strukturteilabschnitte (ein) zweite(r) Wellenleiter (8a, 8b, 8c) in einer optischen Interferenzanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist/sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) als planare Einkoppelstruktur ausgebildet ist oder eine solche umfasst, bei der mindestens drei Strukturteilabschnitte in einer Ebene angeordnet sind, und/oder dass die Einkoppelstruktur (2) als nicht-planare Einkoppelstruktur ausgebildet ist oder eine solche umfasst, bei der mindestens drei Strukturteilabschnitte vorhanden sind, von denen ein Strukturteilabschnitt außerhalb einer durch zwei weitere Strukturteilabschnitte aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch mindestens zwei längliche Strukturteilabschnitte die, bezogen auf ihre Längsrichtung gesehen, zueinander einen Winkel von größer als 0° und kleiner als 180° und/oder von größer als 10° und kleiner als 100° aufweisen und/oder mindestens zwei längliche Strukturteilabschnitte, die, bezogen auf ihre Längsrichtung gesehen, parallel zueinander angeordnet sind und/oder mindestens zwei gekrümmte Strukturteilabschnitte, und/oder mindestens einen ersten und einen zweiten Strukturteilabschnitt, wobei ein Ende des ersten und ein Ende des zweiten Strukturteilabschnitts versetzt zueinander angeordnet sind und wobei diese beiden Enden jeweils mit dem photonischen Kristall oder Quasikristall (1) verbunden und/oder angrenzend an den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) angeordnet sind.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Strukturteilabschnitt ein erster und ein zweiter Streifen- oder Rippenwellenleiter sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) mindestens einen länglichen Strukturteilabschnitt aufweist, dessen mittlere Länge größer gleich einer und kleiner gleich 200 Einheiten und/oder größer gleich fünf und kleiner gleich 50 Einheiten einer Gitterkonstanten des periodischen Kristalls oder einer Periodizitätslänge des Quasikristalls ist und/oder dessen mittlere(r) Querschnittsausdehnung und/oder Durchmesser größer gleich 2 und kleiner gleich 5 Einheiten und/oder größer gleich 0.5 und kleiner gleich 2 Einheiten einer Gitterkonstanten des periodischen Kristalls oder einer Periodizitätslänge des Quasikristalls ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) mindestens zwei versetzt zueinander angeordnete Strukturteilabschnitte so aufweist, dass der mittlere Abstand der beiden Strukturteilabschnitte und/oder der Abstand der beiden dem Eintrittsbereich (3) zugewandten Enden dieser Strukturteilabschnitte größer gleich 0.5 und kleiner gleich 20 Einheiten und/oder größer gleich 1 und kleiner gleich 5 Einheiten einer Gitterkonstanten des periodischen Kristalls oder einer Periodizitätslänge des Quasikristalls ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) mehrere Strukturteilabschnitte und/oder als Streifen- oder Rippenwellenleiter ausgebildete Strukturteilabschnitte so aufweist, dass die über diese Strukturteilabschnitte in den Eintrittsbereich (3) jeweils einkoppelbaren mittleren Intensitäten der elektromagnetischen Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zumindest für zwei dieser Strukturteilabschnitte identisch sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) mehrere Strukturteilabschnitte und/oder als Streifen- oder Rippenwellenleiter ausgebildete Strukturteilabschnitte so aufweist, dass die über diese Strukturteilabschnitte in den Eintrittsbereich (3) jeweils einkoppelbaren mittleren Intensitäten der elektromagnetischen Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zumindest für zwei dieser Strukturteilabschnitte unterschiedlich groß sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) mindestens einen Strukturteilabschnitt und/oder einen als Streifen- oder Rippenwellenleiter ausgebildeten Strukturteilabschnitt so aufweist, dass der Polarisationszustand der durch den Strukturteilabschnitt in den Eintrittsbereich (3) jeweils einkoppelbaren elektromagnetischen Strahlung (4a, 4b, 4c) identisch zu dem Polarisationszustand der mindestens einen optischen Mode des photonischen Kristalls oder Quasikristalls ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass der mindestens eine längliche Strukturteilabschnitt ein Streifen- oder Rippenwellenleiter ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen idealen, also einen keine Abweichungen von seiner Periodizität aufweisenden photonischen Kristall (1) oder einen oder mehrere funktionale(n) Strukturdefekt(e) (16) aufweisenden photonischen Kristall oder Quasikristall (1).
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch gekennzeichnet durch einen als Wellenleiter, Mikroresonator oder optischen Schalter ausgebildeten photonischen Kristall oder Quasikristall (1).
Optische Interferenzanordnung nach den beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (2) so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet ist, dass durch sie mindestens eine optische Mode des/der funktionalen Strukturdefekte/s (16) anregbar ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen zweidimensional, also in einem zweidimensional (2D) strukturierten Raumkörper ausgebildeten, einen dreidimensional, also in einem dreidimensional (3D) strukturierten Raumkörper ausgebildeten oder einen 2D–3D-hybrid ausgebildeten photonischen Kristall oder Quasikristall (1).
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) eine mittels mehrerer funktionaler Strukturdefekte ausgebildete Wellenleiterstruktur (15) aufweist und dass die Einkoppelstruktur (2) mehrere Wellenleiter (8a, 8b, 8c) umfasst, wobei diese Wellenleiter (8a, 8b, 8c) so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sind, dass durch sie mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder oder Strahlungsfeldabschnitte in den Eintrittsbereich (3) des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) einkoppelbar, dort im Eintrittsbereich (3) als die mehreren elektromagnetischen Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) zur Interferenz bringbar und danach über die Wellenleiterstruktur (15) im photonischen Kristall oder Quasikristall (1) weiterleitbar sind.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterstruktur (15) im photonischen-Kristall oder Quasikristall (1) und mindestens einer der mehreren Wellenleiter (8a, 8b, 8c) dieselbe mittlere Strukturausdehnung aufweisen.
Optische Interferenzanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) ein ein Lochgitter aufweisender, idealer photonischer Kristall oder Quasikristall (1) ist, in dem mittels einer Anordnung verkleinerter oder fehlender Löcher die Wellenleiterstruktur (15) ausgebildet ist.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Lochgitter ein hexagonales Lochgitter ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Wellenleiter (8a, 8b, 8c) der Einkoppelstruktur (2) Streifen- oder Rippenwellenleiter oder Wellenleiter aus gekoppelten Mikroresonatoren umfassen.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) in seinem Inneren eine Wellenleiterstruktur (15) aufweist und dass die Einkoppelstruktur (2) mindestens einen Wellenleiter (8a, 8b, 8c) aufweist, der mittels des Eintrittsbereichs (3) an die Wellenleiterstruktur (15) angekoppelt ist.
Optische Interferenzanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (8a, 8b, 8c) als Taper ausgebildet ist und/oder dass der Wellenleiter (8a, 8b, 8c) mit dem Photonischen Kristall oder Quasikristall (1) strukturell verbunden ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) als Lochgitter ausgebildet ist und dass die Wellenleiterstruktur (15) durch fehlende Löcher und/oder durch Löcher ausgebildet ist, die in Bezug auf dieses Lochgitter gesehen verschoben, vergrößert, verkleinert und/oder in ihrer Form verändert sind.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) als Lochgitter ausgebildet ist und im Eintrittsbereich (3) und/oder benachbart zu diesem Eintrittsbereich eine andere Lochgröße und/oder Lochanordnung aufweist, als außerhalb des Eintrittsbereichs (3) und/oder entfernt zu diesem.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) ein integriertes photonisches Bauelement aufweist, das durch eine im Inneren des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) ausgebildete Wellenleiterstruktur (15) speisbar ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Ausdehnung des Eintrittsbereichs (3) größer gleich 0.5 und kleiner gleich 2 Einheiten einer Gitterkonstanten des periodischen Kristalls oder einer Periodizitätslänge des Quasikristalls ist.
Optische Interferenzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall oder Quasikristall (1) eine photonische Bandlücke aufweist und/oder zum Wellenleiten von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen größer gleich 380 nm und kleiner gleich 750 nm, mit Wellenlängen größer gleich 750 nm und kleiner gleich 3 μm oder mit Wellenlängen größer gleich 3 μm und kleiner gleich 50 μm ausgebildet ist.
Verfahren zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in einen photonischen Kristall oder Quasikristall (1), wobei eine Einkoppelstruktur (2) mit mehreren außerhalb des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) angeordneten Wellenleitern (8a, 8b, 8c) oder einer Fokussieroptik, die mit einer Vorrichtung zur Erzeugung komplexer Interferenzmuster gekoppelt ist, so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet wird, dass durch sie in einem an der Oberfläche und/oder im Inneren des photonischen Kristalls oder Quasikristalls (1) angeordneten Eintrittsbereich (3), der eine Größe aufweist, dessen mittlere Ausdehnung größer gleich 0,2 und kleiner gleich 5 Einheiten einer Gitterkonstante des periodischen photonischen Kristalls entspricht, mehrere elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) in einem vordefinierten Interferenzmuster (5) zur Interferenz bringbar sind, wobei der Einkoppelstruktur (2) elektromagnetische Strahlung zum Einkoppeln in den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) zugeführt wird und wobei mehrere elektromagnetische Strahlungsfelder oder Strahlungsfeldabschnitte durch mehrere Strukturteilabschnitte der Einkoppelstruktur (2), die so ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet werden, dass sie an den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) angrenzen und strukturell mit dem photonischen Kristall oder Quasikristall (1) verbunden sind, als die mehreren elektromagnetische Feldbeiträge (4a, 4b, 4c) in den photonischen Kristall oder Quasikristall (1) eingekoppelt und zur Interferenz gebracht werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in eine optische Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 38 eingekoppelt wird.