Licht kann um ein Vielfaches mehr Informationen in der gleichen Zeit transportieren als elektrische Signale. Dreidimensionale photonische Kristalle werden die Telekommunikation revolutionieren. Aber: an den Netzknotenpunkten gibt es noch keinen wettbewerbsfähigen kompakten rein optischen Steuerungsprozessor dafür - daran wird gearbeitet.

Natürliche Kristalle faszinieren Menschen von alters her durch ihre Schönheit und ihr strenges Ordnungsprinzip. Die räumliche Anordnung der Atome eines Kristalls folgt ihren Gesetzen der Bindungskräfte, die eine Grundzelle formen, die periodisch fortgesetzt wird und ein „Kristallgitter“ bildet. Dieses definiert die äußere Form und die Eigenschaften des Kristalls. Für photonische Anwendungen sind dabei die Transparenz, der Brechungsindex und die Gitterkonstante wichtig. Transparente optische Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes sind für hochwertige Optiken unerlässlich. Das erkannte 1883 schon Ernst Abbe, als er die Korrektion von Objektiven auf drei Farben ausdehnte. Selbst mit der Kombination von Gläsern unterschiedlicher Brechzahlen von Schott benötigte er zur endgültigen Korrektur Flussspat. Er barg selbst in Oltschiburg, südöstlich des Brienzer Sees aus einem Steinbruch klare Flussspatkristalle (Fluorit) (Bild 1). In der weiteren Entwicklung wurden damit im Unternehmen Carl Zeiss Jena hochauflösende Objektive gefertigt und die Optikentwicklung bis heute revolutioniert. Heutzutage wird Flussspat mit seinen speziellen brechenden Eigenschaften für die Optik hochrein synthetisch hergestellt.

Synthetische Kristalle sind auch die Basis der Laserentwicklung. Sie werden wie der Nd:YAG Kristall als das meist gebräuchlichste Lasermedium der Festkörperlaser in immer neuen Kombinationen für Anwendungen in der Lasertechnologie gezüchtet. Eine große Palette von synthetischen Kristallen hoher Reinheit, die durch Einbau von Atomen meist Seltener Erden gezielt für spezielle Laseranwendungen optimiert wurden, wird kommerziell angeboten.

Die für Kristalle typische periodische Modulation des Brechungsindexes tritt auch in anderen optischen Materialien auf. Wellenausbreitung ist hier in Form von Moden in erlaubten Bändern möglich, die jeweils durch Bandlücken voneinander getrennt sind. Für sie hat sich der Name Photonische Kristalle etabliert. Sie könnten die Schlüsselkomponente für kompakte optische Halbleiter sein. In ihrem Inneren kann beispielsweise durch Lasereinstrahlung als nichtlinearer Effekt eine Selbstfokussierung erzeugt werden, die einen Kanal erzeugt, der wieder als Wellenleiter wirkt und Licht transportieren kann. Auf diese Weise entstehen optische Elemente, die Licht direkt schalten und parallel verarbeiten können – ohne zusätzliche Lichtleitfasern, physikalische Führungen oder Umwandlungen in elektronische Signale zu benötigen.

Der Vorteil in der Anwendung dieser Kristalle liegt in der Möglichkeit der Frequenzselektion durch sowohl elektrische und als auch rein optische Ansteuerung: Ein kompakter rein optischer Steuerungsprozessor kann damit entwickelt werden. Das ist auch die Zielstellung eines dreijährigen Projekts 'NewTon' der BASF, die gemeinsam mit Partnern wie dem Laser Zentrum Hannover e.V., Thales Aerospace Division, Photon Design Ltd., der Technical University of Denmark und der Ecole Nationale Superieure des Telecommunications de Bretagne an der Entwicklung von photonischen Kristallen forscht. Ausgangsstoffe für die Herstellung solcher Kristalle können wässrige Dispersionen mit etwa 200 Nanometer großen Polymerkügelchen sein, die beim Verdunsten der Flüssigkeit zu einem homogenen schützenden Film zusammenfließen. Diese können sich in einem regelmäßigen Gitter anordnen und einen Kristall bilden (Bild 2). Daraus lässt sich ein stabiler dreidimensionaler Kristall entwickeln, in den anschließend eine bestimmte Struktur eingeschrieben wird.

Ende 2008 werden erste funktionstüchtige Komponenten dieser neuen Technologie erwartet. Langfristiges Ziel ist der Einsatz von dreidimensionalen photonischen Kristallen als Bauelemente in der Telekommunikation. Das Projekt wird zur Hälfte von der Europäischen Union gefördert. Das Projekt 'NewTon' wurde hier als Beispiel für die vielerorts laufenden Grundlagenuntersuchungen vorgestellt. Weltweit forschen namhafte Institute auf diesem Gebiet. Hersteller von Bauteilen für die Telekommunikation würden vom kommerziellen Einsatz der photonischen Kristalle profitieren. Sie sind kleiner als elektronische Bauteile und so würden auch die Geräte immer kleiner und kostengünstiger werden - bei gleichzeitig höherer Leistung. Ein photonischer Prozessor und damit ein Lichtcomputer ist aber noch "leuchtende" Zukunft. Jedoch ist zu erwarten, dass mit einer wirtschaftlichen Technologie photonischer Kristalle die Telekommunikation weltweit revolutioniert wird.

Natürlicher Fluoritkristall Quelle Messe München

Beispiel eines photonischen Kristalls, hergestellt durch Two Photon Polymerization Quelle: J. Serbin, A. Ovsianikov, B. Chichkov, Projekt 'NewTon'