Neue Materialplattform auf Basis von Selten-Erd-dotiertem Dünnschicht-Lithiumniobat für die integrierte Photonik

• Antragsteller: Professor Dr. Detlef Kip
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497778782

Ziel des Antrags ist die Entwicklung einer neuartigen Materialplattform für mit seltenen Erden (RE) dotierte aktive Bauelemente aus einkristallinem Dünnschicht-Lithiumniobat (LNOI).LNOI ein hervorragendes Substratmaterial für die Herstellung ultrakompakter integrierter optischer Bauelemente, z.B. für die Entwicklung hocheffizienter elektrooptischer Modulatoren oder nichtlinearer Wellenlängenkonverter, welche die bereits hervorragenden Eigenschaften integrierter Bauelemente auf Basis von LiNbO3 deutlich übertreffen. In diesem Projekt wollen wir neue Möglichkeiten erforschen, auch aktive Bauelemente wie optische Verstärker oder Laser in einer neu entwickelten RE-dotierten LNOI-Plattform zu realisieren. Dies wird eine noch höhere Funktionalität dieses neuen Materials und die Entwicklung aktiver Bauelemente ermöglichen, die klar über den Stand der Forschung hinausgehen. Eine Diffusionsdotierung vor dem Waferbonden ermöglicht maßgeschneiderte Substrate mit räumlich variierenden Dotierkonzentrationen, wodurch die derzeitigen Einschränkungen bei der Verwendung von dotierten Kristallen als Ausgangsmaterial für die Herstellung von LNOI vermieden werden. Darüber hinaus werden wir photorefraktive Effekte in LNOI untersuchen und an einer zusätzlichen Dotierung mit geeigneten Ionen arbeiten, um die bei aktuell in LNOI-basierten Bauelemente beobachteten optischen Schädigungen zu reduzieren.Insbesondere wollen wir folgende Ziele erreichen: (1) Wir werden verschiedene LNOI-Substrate mit einer RE-Dotierung verschiedener Ionensorten und Konzentrationen herstellen und ihre optischen Eigenschaften charakterisieren. (2) Wir werden diese Proben für die Herstellung von Wellenleitern verwenden, wobei Methoden wie Präzisionssägen, chemisch-mechanisches Polieren und Trockenätzen angewandt werden, um sowohl gerade Rippen als auch gekrümmte Strukturen wie z.B. Ringresonatoren zu erhalten. Diese Untersuchungen eben den Weg zu Ziel (3), d.h. einer ersten Demonstration von ultrakompakten Lichtverstärkern und Rippenwellenleiter-Laserquellen in dieser neuen RE:LNOI-Plattform. Einerseits wird bei diesem Projekt das Fachwissen des Antragstellers auf dem Gebiet LiNbO3, LNOI und Wellenleitertechnologie für die integrierte Photonik genutzt. Andererseits werden wir wegen der verschiedenen anspruchsvollen technologischen Aspekte der LNOI-Plattform mit der Gruppe von Prof. M. Lončar von der Harvard University, USA, zusammenarbeiten, die bahnbrechende Ergebnisse bei der Herstellung von photonischen Schaltkreisen auf LNOI-Basis vorweisen kann und selber großes Interesse an der Nutzung von RE-dotierten LNOI für künftige Anwendungen hat. Darüber hinaus werden wir unsere engen Kontakte zur Shandong University in China nutzen, insbesondere zu den beiden Forschungsgruppen von Prof. F. Chen und Prof. H. Hu. Beide verfügen über große Erfahrung in der Entwicklung von LNOI, wobei letzterer auch der Gründer und Geschäftsführer des Unternehmens NanoLN ist, das der weltweit führen

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen