Elektrochrom

LMO-basierte integrierte nichtflüchtige Phasenschieber

Nichtflüchtig integrierte Phasenschieber auf Basis des ladungs‑abhängigen Brechungsindex von Lithium‑Manganese‑Oxid (LiMn₂O₄)

In der integrierten Photonik werden zur Kompensation von Fertigungstoleranzen oder zur Einstellung langfristiger Effekte typischerweise thermo-optische Phasenschieber eingesetzt. Diese benötigen jedoch dauerhaft elektrische Leistung zum Heizen und reagieren empfindlich auf Schwankungen der Umgebungstemperatur.

Um diesem kontinuierlichen Energieverbrauch entgegenzuwirken, wird in diesem Projekt untersucht, wie gut sich die ladezustandsabhängige Brechungsindexänderung von Lithium-Manganoxid (LMO) zur Realisierung eines integrierten Phasenschiebers eignet. LMO ist ein gängiges Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien und zeigt eine deutliche Änderung seines Brechungsindex in Abhängigkeit vom Ladezustand.

Für erste Messungen wurde ein bereits vorhandener Chip verwendet, dessen Top-Oxid entfernt und anschließend mittels Sputtern im Maskenprozess mit LMO beschichtet wurde. Abbildung 1 zeigt die beschichteten Strukturen. Dabei handelt es sich um Cutback-Strukturen, mit denen durch unterschiedliche Längen die Verluste des Wellenleiters bestimmt werden.

Abbildung 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Wellenleiterquerschnitts ohne Top-Oxid, der mit LMO beschichtet wurde. Hierbei treten einige Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung auf, die in weiteren Schritten genauer untersucht werden müssen.

Simulationen auf einer Siliziumnitrid-Plattform bei einer Wellenlänge von 900 nm zeigen, dass ein deutlicher Brechungsindexhub erzielt werden kann. 

In naher Zukunft wird ein speziell entwickelter, siliziumintegrierter Chip erwartet, der für umfassende Messungen dieses Materialsystems ausgelegt ist. Neben Strukturen zur Bestimmung der Dämpfung wurden auch Modulatorstrukturen entworfen. Nach der Charakterisierung der grundlegenden Funktionalität werden anschließend die Eigenschaften an den Schnittstellen sowie die Realisierung einer geeigneten Einhausung der Batteriezelle untersucht.