Zweidimensionale photonische Strukturen

Durch geeignete Überlagerung ebener Wellen lassen sich innerhalb eines photorefraktiven Kristalls beugungsfrei propagierende Wellen mit einem in transversaler Richtung periodischen Intensitätsprofil erzeugen. Über den photorefraktiven Effekt kann diese Intensitätsmodulation in ein zweidimensionales photonisches Gitter überführt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen photonischen Kristallen handelt es sich bei diesen optisch induzierten Brechungsindexmustern um reversible Strukturen, d.h. die Modulation des Brechungsindex kann rückgängig gemacht oder wieder verändert werden. Aufgrund dieser Flexibilität und der darüber hinaus relativ großen nichtlinearen Materialantwort bei verhältnismäßig geringen Lichtleistungen stellen optisch induzierte photonische Strukturen in photorefraktiven Materialien ein sehr wichtiges System zur Untersuchung fundamentaler Effekte der Wellenausbreitung in periodisch strukturierten Medien dar.

Die untersuchten Gitter können eine Vielzahl von verschiedenen Geometrien aufweisen. Neben den verhältnismäßig einfachen Streifen-, Hexagon- und Quadratgittern sind auch komplexere Strukturen wie bspw. das Dreiecksgitter (s. Abb. 1) möglich.

Abb. 1: Paralleles Dreiecksgitter. (a) Gitterwelle, (b) induzierter Brechungsindex, (c) Brillouin-Zonen-Spektroskopie

Zur Analyse der induzierten Brechungsindexstruktur kann u.a. die sogenannte Brillouin-Zonen-Spektroskopie verwendet werden. Hierbei wird bei kollektiver Anregung der Moden verschiedener Bänder im Fernfeld das Transmissionsspektrum aufgenommen. Dies ermöglicht eine direkte Visualisierung der für den jeweiligen Gittertyp charakteristischen Brillouin-Zonen (vgl. Abb. 1c).

Ein für die Arbeit mit optisch induzierten Strukturen sehr wichtiger Aspekt ist die intrinsisch vorhandene Anisotropie des verwendeten photorefraktiven Kristalls. Diese führt u.a. dazu, dass die tatsächlich induzierte Brechungsindexstruktur neben der Geometrie auch sehr stark von der Orientierung der Gitterwelle abhängt. So führt z.B. die zweidimensionale Gitterwelle mit der Intensitätsverteilung eines Quadratgitters je nach Orientierung im Kristall entweder zu einer zweidimensionalen Brechungsindexverteilung gleicher Symmetrie oder liefert eine effektiv eindimensionale Struktur, die einem Streifengitter sehr ähnlich ist.

Die Untersuchung realisierbarer Brechungsindexstrukturen unter Berücksichtigung der intrinsischen Anisotropie und insbesondere auch deren Auswirkung auf die Propagation von Lichtwellen in zweidimensionalen photonischen Strukturen sind Gegenstand aktueller Forschung. Vor allem die Existenz von Gittersolitonen auf diesen periodischen Strukturen und die Erforschung weiterer nichtlinearer Effekte sind hier von zentraler Bedeutung.

Ansprechpartner: P. Rose