Nanooptik - Nanostrukturen in der Optoelektronik

Einige der interessantesten Innovationen innerhalb des weiten Feldes der Nanotechnologie finden sich im Teilgebiet der Nanooptik. Hier sind nanotechnologische Aspekte an verschiedenen Stellen von zentraler Bedeutung.


Optoelektronik

Von erheblicher kommerzieller Bedeutung ist die Optoelektronik. Diese adressiert vor allem über Anwendungen in der Telekommunikation einen globalen Multimilliardenmarkt. Bahnbrechende Entwicklungen wie das Internet beruhen zentral auf der Verfügbarkeit einer hinreichend leistungsfähigen Telekommunikationstechnologie.

Im Bereich der Optoelektronik kann auch in den kommenden Jahren mit enormen Wachstumsraten von mehreren zehn Prozent pro Jahr gerechnet werden (der Markt für Laserdioden hat sich von 1999 nach 2000 sogar mehr als verdoppelt).

Eine erhebliche Anzahl optoelektronischer Bauelemente, wie zum Beispiel Laserdioden beruhen dabei auf nanoskaligen Funktionselementen. In sogenannten Quantenfilmlasern findet die eigentliche Laseraktivität in einer nur wenige Nanometer dicken Halbleiterschicht statt. Es gelingt bei den Laserdioden derzeit jedoch nicht, alle technisch wichtigen Wellenlängenbereiche abzudecken. Mit dem Übergang zu neuen Materialsystemen, wie etwa dem sogenannten wide-bandgap-Halbleiter Galliumnitrid konnten zwar schon blauviolett emittierende Laserdioden realisiert werden, der blau-grüne Spektralbereich wurde jedoch bislang nur für Leuchtdioden erschlossen. Hier erhofft man sich Fortschritte einerseits durch Verwendung alternativer Materialien wie Zinkoxid, aber auch durch neue Bauelementkonzepte, wie z.B. den Quantenpunktlaser. Bei diesem besteht der laseraktive Bereich aus einer unregelmäßigen Anordnung von Quantenpunkten mit Abmessungen von wenigen Nanometern. Diese Strukturen werdennicht lithographisch erzeugt, sondern können auf einfache Weise mittels eines Selbstorganisationsverfahrens erzeugt werden. Man hat damit eines der ersten Beispiele überhaupt für die erfolgreiche Nutzung der so oft zitierten Selbstorganisationsverfahren vorliegen, mit denen esmöglich ist, kleinste Strukturen bei minimalem Aufwand und geringen Kosten zu realisieren. Obwohl die genaue Funktionsweise der Quantenpunktlaser noch nicht vollständig verstanden ist, konnte dieses Konzept bereits erfolgreich in die Praxis umgesetzt werden.

Die Telekommunikation bedarf jedoch nicht nur innovativer Strahlquellen, sondern sie benötigt auch Bauteile, wie Multiplexer, Verstärker oder Repeater. Auch für diese kommen neuartige Bauteile zur Anwendung, die in vielen Fällen auf nanoskaligen Phänomenen beruhen.


Photonische Kristalle

Vor allem (aber nicht nur) für passive Bauelemente erhofft man sich entscheidende Fortschritte bei der Nutzung photonischer Kristalle. Diese ermöglichen in Bezug auf Licht die gleichen Funktionalitäten, wie sie Halbleiter für elektrische Ströme zur Verfügung stellen. Man bezeichnet photonische Kristalle daher auch als photonische Bandlückenmaterialien. Sie bestehen aus strukturierten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren und zwingen das Licht mittels ihrer spezifischen Indexkontraststruktur dazu, sich in der für die Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten. Ein wesentliches Merkmal dieser Technik ist die Möglichkeit, Licht auf vergleichsweise engen Abmessungen zu führen. Damit rückt ein entscheidender Durchbruch auf dem Gebiet der optischen Miniaturisierung, die mit konventionellen optischen Techniken eine prinzipbedingte Grenze nicht unterschreiten kann, in greifbare Nähe.

Die erfolgreiche Nutzung photonischer Bandlückenmaterialien eröffnet die Möglichkeit einerweiteren Steigerung der Datenübertragungen bei gleichzeitiger Verkleinerung der Geräte und Reduzierung der Kosten. Generell wird die Zielrichtung verfolgt, eine vollständig optische Kommunikationstechnologie zu verwirklichen, da sich gegenwärtig die Elektronik als hauptsächlicher Engpass hinsichtlich der Geschwindigkeit und Übertragungskapazität der Nachrichtenübertragung darstellt.

Die Anwendung photonischer und optoelektronischer Strukturen erschöpft sich jedoch nicht in der Telekommunikation. Sie sind auch bedeutsam für Sensoren, Beleuchtung und möglicherweise in Zukunft sogar die Informationsverarbeitung. Marktstudien gehen davon aus, dass die Leuchtdiode mittelfristig die Glüh- und Gasentladungs-Lichtquellen aus vielen Bereichen des täglichen Lebens inklusive der Raumbeleuchtung verdrängen wird. Im Bereich der Informationsverarbeitung existieren bereits Konzepte für rein optische Schaltelemente, die eines Tages als optische Hochgeschwindigkeits-Transistoren genutzt werden könnten.

Bis dahin wird jedoch die Kopplung der konventionellen elektronischen Informationsverarbeitung an die optische Informationsübertragung von eminenter Bedeutung sein. Auch hier gibt es neuartige Ansätze, die fundamental auf nanoskaligen physikalischen Effekten beruhen. Beispielsweise versprechen sogenannte spintronische Bauelemente eine direktere Kopplungoptischer und elektronischer Informationsträger, da auf diese Weise beispielsweise die Polarisation von Licht unmittelbar auf die der Elektronen übertragen werden könnte.


Neue Lichtzustände - Quantenoptik

In den aktuellsten Forschungsgebieten der Physik begegnet man den ungewöhnlichsten Eigenschaften des Lichts und deren Anwendungen. Im Bereich der Quantenoptik werden Lichtzustände erzeugt, mit Hilfe derer sich neuartige metrologische Verfahren höchster Empfindlichkeit realisieren lassen oder die in Wechselwirkung mit einzelnen Atomen oder Molekülen exotische Materiezustände verursachen, die in zukünftigen sogenannten Quantenrechnern zu bislang kaum vorstellbaren Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten führen können.

In diesem Zusammenhang ebenfalls zu nennen ist die Femtosekundentechnologie, die sich mit Lichtpulsen beschäftigt, die so kurz sind, dass sie trotz der ungeheuer großen Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/s nur eine Länge von einigen hundert Nanometern aufweisenund damit von der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts sind. In Wechselwirkung mit Materie auf der Nanoskala, d.h. Atomen oder Molekülen, verspricht man sich von der Femtosekundentechnologie die Präparation neuer atomarer Zustände oder chemischer Verbindungen, die mit Hilfe der etablierten Verfahren schlichtweg nicht machbar sind.


Ultrapräzise Optikkomponenten

Ebenfalls wichtiger Bestandteil der Nanooptik ist die Herstellung ultrapräziser klassischer optischer Komponenten wie Spiegel, Linsen u.a. Mit Hilfe der ultrapräzisen Oberflächenbearbeitungsmethoden gelingt mittlerweile die Realisierung geradezu sensationell geringer Formabweichungen im Bereich von nur wenigen Nanometern. Anwendungsfelder solcher präziser Oberflächen sind beispielsweise die Lithographie, optische Sensoren, Präzisionsinstrumente, Schreib- und Leseköpfe in optischen Datenspeichern, Röntgenoptiken etc.
Quelle: BMBF

Mehr Informationen über Nanooptik finden Sie auf den Internetseiten von NanOp.
NanOp ist das deutsche Kompetenzzentrum für die Entwicklung und Anwendung von
lateralen Nanostrukturen und nanoanalytischen Techniken für die Optoelektronik.