Weitere wichtige Ziele unserer Task-Group sind folgende: Die Materialentwicklung wird auf die Integration in planare optische Wellenleiter zugeschnitten. Optische Eigenschaften und Verarbeitbarkeit werden darauf angepasst. Somit wird bei Bedarf eine Komponente eines system-on-a-chip möglich. Zusätzlich besteht eine Verknüpfung mit der Task-Group S2 zur computerchemischen Berechnung von Chromophoren als Teil der Strukturplanung. Weiterhin ist eine enge Kooperation mit M6 entstanden, in der die hergestellten Materialien in Teststrukturen verwendet und Materialparameter gemessen werden, die Auskunft über die Anwendbarkeit als optische Komponenten und Feedback für die Materialsynthese geben.

Was uns antreibt

Der weltweite Datentransport ist in den vergangenen zehn Jahren um mehr als das Zehnfache angestiegen. Technische Fortschritte in Prozessorleistung und Speicherkapazitäten normalisieren immer größere Übertragungsgeschwindigkeiten und Datenmengen. Die Verwendung elektrischer Busschnittstellen ist hierbei ein Engpass in der Geschwindigkeit, besonders bei geringen Computergrößen. Die Verwendung optischer Bauteile ermöglicht deutlich höhere Geschwindigkeiten, aber eine Verbindung zwischen elektrischen und optischen Signalen, ein elektro-optischer Modulator, wird benötigt. In diesem wird ein elektrisches Feld in eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit im Material übersetzt, welche durch optische Strukturen als ein On/Off-Signal ausgegeben werden kann.

Als etabliertes Material für EO-Modulatoren kommt derzeit Lithiumniobat zum Einsatz. Dieses ist für viele Hochleistungsanwendungen unerlässlich. Bei einem Betrieb im GHz-Bereich sind allerdings Spannungen von über 100 V notwendig, wodurch eine Verwendung in handelsüblichen Computern schwierig ist. Gepolte organische elektrooptische Polymere ermöglichen hohe Schaltgeschwindigkeiten bei niedrigen Spannungen. Auch bieten sie als amorphe plastische Materialien neue Möglichkeiten in der Verarbeitbarkeit gegenüber dem kristallinen Lithiumniobat. Derzeit muss ein Materialsystem evaluiert werden, welches bei guten Leistungen auch eine lange Haltbarkeit ermöglicht. Zur Lösung dieser Problemstellung arbeiten wir an der Berechnung und Synthese neuartiger Polymere.

Unsere Forschungsarbeit

Die Arbeiten innerhalb der Task-Group sind auf verschiedene Materialsysteme aufgeteilt. Die Arbeitsgruppen Johannes/Kowalsky (Institut für Hochfrequenztechnik, IHF) und Menzel (Institut für Technische Chemie, ITC) forschen an organischen elektrooptischen Polymeren. Diese haben die Eigenschaft, elektrische Signale über den Pockels-Effekt in optische Signale umzuwandeln. Als aktive Einheit fungieren hierbei organische Donor-Akzeptor-Chromophore. Durch ein externes elektrisches Feld wird temporär ein intramolekularer Ladungstransfer induziert. Die unterschiedliche Elektronenverteilung hat eine Änderung der Permittivität und damit des Brechungsindex im Material zur Folge. Da der Effekt stark symmetrieabhängig ist, müssen die Chromophore bei der Integration in ein Bauteil ausgerichtet und in einer Matrix fixiert werden. Hierfür werden Chromophore über verschiedene Methoden in organische Polymere eingelagert (Abb. unten). Am IHF werden hierfür Chromophore mit hoher Aktivität und Temperaturstabilität und geeigneten Ankergruppen geplant und synthetisiert. Am ITC werden amorphe Polymere mit hoher Glasübergangstemperatur und guten Transmissionseigenschaften hergestellt und mit den Chromophoren verknüpft.

Es besteht zudem eine Kooperation mit anderen Chemiker*innen im Cluster. Das Moleküldesign und die weitere Planung der Aktivitäten erfolgt in engem Austausch mit der Task Group S2. Es sollen neue Materialvariationen hergestellt werden und In-House (IHF) im Rahmen der Task Group M6 auf optischen Teststrukturen aufgebracht werden. Langfristig und nach einem Machbarkeitsnachweis, sind weitere Kooperationen zur Integration in optische Chips und zur exakten Bestimmung der Materialeigenschaften geplant.