Fraktale photonische Kristalle: Neue Forschung zu robusten Photonik-Chips an der Hochschule Heilbronn

Prof. Dr. Javier Villalba-Díez von der Fakultät Wirtschaft der Hochschule Heilbronn (HHN) hat gemeinsam mit internationalen Forschungspartnern eine wissenschaftliche Publikation zur 3D-integrierten Photonik und Quantenphotonik veröffentlicht.

Im Mittelpunkt der Forschung steht die Frage, wie sich Licht auf Photonik-Chips robust und mehrskalig kontrolliert lokalisieren lässt. Anders als Ansätze im Quantencomputing untersucht die Studie gezielt die photonische Lokalisierung auf Chip-Ebene als Grundlage zukünftiger quantenphotonischer Systeme.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch geeignete Strukturdesigns stabile und effiziente lokalisierte photonische Zustände erzeugen lassen. Damit leistet die Forschung einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung miniaturisierter, energieeffizienter und 3D-integrierter Photonik-Systeme.

Im Fokus der Studie stehen fraktale photonische Kristalle, also Strukturen mit mehreren räumlichen Skalen. Dadurch lässt sich Licht auf kleinstem Raum gezielt bündeln und lokalisieren.

Untersucht wurden drei fraktale 3D-Geometrien: 3D Cantor Dust, Vicsek-Fraktal und Sierpinski Sponge. Die Analyse zeigt, dass insbesondere die 3D-Cantor-Dust-Struktur eine besonders starke und stabile Lokalisierung ermöglicht.

Die kontrollierte Lokalisierung von Licht ist eine zentrale Voraussetzung für skalierbare Anwendungen in der integrierten Photonik und Quantenphotonik. Nur wenn Licht präzise geführt und beeinflusst werden kann, lassen sich komplexe Funktionen direkt auf einem Chip umsetzen.

Relevant ist das zum Beispiel für:

• On-Chip-Resonatoren

• Einzelphotonen-Quellen

• integrierte Filter

• nichtlineare Wechselwirkungsbereiche

Ein besonderer Vorteil fraktaler Strukturen ist, dass sie mehrere spektrale Bereiche gleichzeitig abbilden können. Dadurch lassen sich mehrere Funktionen in einer einzigen Struktur zusammenführen.

Die Ergebnisse zeigen, dass fraktale photonische Strukturen auch unter realistischen Bedingungen robust funktionieren. Dies ist ein wichtiger Schritt für die praktische Umsetzung in der Mikro- und Nanofertigung.

Zukünftige Forschungsansätze umfassen die Weiterentwicklung und Validierung fraktaler Strukturen sowie deren Integration in funktionale quantenphotonische Bausteine und mehrschichtige Systeme.

Darüber hinaus eröffnen sich neue Möglichkeiten für skalierbare, energieeffiziente und kompakte Photonik-Systeme, insbesondere im Kontext von 3D-integrierten Chip-Architekturen.