Elektrochemisch angetriebener optischer Aktuator: vom Material zum Bauelementkonzept

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Bracht; Professor Dr. Wolfram Hans Peter Pernice
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461546117

Im Rahmen dieses Vorhabens werden wir einen neuartigen selbsthaltenden elektrochemisch getriebenen optischen Aktuator realisieren. Ein wichtiges Ziel ist es, die für den Aktuator verwendeten Materialien zu bewerten und zu zeigen, dass unser Aktuatorkonzept mit der Siliziumphotonik kompatibel ist. Aufgabe des Aktuators ist die Kontrolle der Lichttransmission auf einem photonischen Halbleiterchip. Die Funktionsweise basiert auf ionisch und elektronisch leitenden Materialen (MIEC: Mixed Ionic- Electronic Conductor), die ausgewählte Bereiche von Siliziumwellenleitern abdecken. Lichtwellen, die sich im Wellenleiter ausbreiten, werden durch Nahfeldkopplung an das MIEC-Material beeinflusst. Als Grundmaterial für den optischen Modulator verwenden wir die elektrochromen Materialien V2O5 und WO3. Sowohl Lithium als auch Wasserstoff werden als mobile Ionen für die Interkalation des MIEC- Materials verwendet. Der Ionengehalt des MIEC-Materials kann durch elektrochemische Reaktionen verändert werden. Mit der damit verbundenen Änderung in der Stöchiometrie werden auch die optischen Eigenschaften, d.h. der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient, und somit die Intensität und Phase der Lichtwellen geändert, die sich im darunter liegenden Wellenleiter ausbreiten. Um den Einsatz von MIEC-Materialien als optische Aktuatoren zu testen und damit das Gesamtkonzept zu prüfen, werden Festkörperschichtsysteme durch Sputterdeposition hergestellt. Die elektrochemische Eigenschaft des Materialsystems ermöglicht es, den Ionengehalt des MIEC Materials und damit seine optischen Eigenschaften durch die angelegte Spannung / den angelegten Strom einzustellen. Das optische Modulationsvermögen wird durch Integration des Aktuatorsystems in Silizium basierten photonischen Schaltungen untersucht. Dazu wird das Schichtsystem in definierten Bereichen verschiedener Siliziumwellenleiterstrukturen abgeschieden, die zuvor mittels Elektronenstrahllithographie in Kombination mit reaktivem Ionenätzen hergestellt wurden. Die aus unseren Experimenten abgeleiteten optischen Eigenschaften des Siliziumwellenleiter-Aktuatorsystems werden mit Simulationen verglichen, um aus dem Vergleich zwischen Experiment und Simulation nach mehreren Iterationen ein Aktuatormaterialsystem mit optimierten Eigenschaften hinsichtlich Designs und Leistungsfähigkeit zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen