基于有机聚合物材料的有源复合光波导及其多功能集成芯片研究

Because of the urgent need for high speed and large capacity all-optical information network, some traditional photon components with single function are more and more can’t meet the development needs. The optical devices and modules are developing sustainedly and rapidly towards the direction of low cost, high speed, large capacity, miniaturization and integration. This project is based on the advantages of the organic polymer material in the fabrication of high speed electro-optic (EO) modulator/switch and optical waveguide amplifier. By researching on the active composite optical waveguide with EO polymer as the cladding and organic optical amplification materials as the core of waveguide, then EO modulation and signal amplification characteristics can be realized in a single waveguide at the same time. Through optical waveguide integrated technology, the high-speed EO switch, optical waveguide amplifier, optical splitter, and optical coupler will be integrated on the a single chip based on the active composite waveguide structure, then realize the further integration of functions. By using fabrication technology of the polymeric planar optical waveguide with independent intellectual property rights, the active composite optical waveguide devices will be developed with the switching time less than 100 ps and the relative gain greater than 8 dB/cm. Then the miniaturization of integrated chip will realize high-speed modulation, switch and choosed amplification and other important function. This research will play a positive role in promoting development of the research and industrialization in organic photonic integrated chips (PICs).

由于新一代高速、大容量全光信息网络的迫切需求，一些传统的单一功能的光子元件已越来越不能满足这一发展需要，光器件与光模块的低成本、小型化、集成化和多功能化已成为其发展的必然趋势。本项目基于有机聚合物材料在高速电光调制器/电光开关和光波导放大器方面的优势，研究以电光聚合物作为波导包层、有机光放大材料作为波导芯层的有源复合光波导结构，来实现单一波导同时具有电光调制和信号放大的功能。通过光波导集成技术，将基于有源复合光波导结构的高速电光开关、光波导放大器、光分束器和光耦合器等关键光学元件集成在同一芯片上，实现功能的进一步集成。采用具有自主知识产权的聚合物平面光波导制备技术，研制出开关时间小于100ps，相对增益大于8dB/cm的有源复合光波导器件，并进一步研制出具有对信号高速调制、开关和选择放大等重要功能的小型化集成芯片。此研究将为有机光子集成芯片的科研和产业化发展起到积极的促进作用。

由于新一代高速、大容量全光信息网络的迫切需求，一些传统的通信技术和单一功能的光子元件已越来越不能满足这一发展需要，光器件与光模块的低成本、小型化、集成化和多功能化已成为其发展的必然趋势。本项目开展了基于有机聚合物材料的有源复合光波导及其多功能集成技术的研究，主要进展包括：（1）鉴于有机聚合物材料在高速电光调制器、电光开关和光波导放大器方面的优势，合成出一系列高性能的有源聚合物光波导材料（极化聚合物电光材料和有机光放大材料），研究了材料性能与材料组分之间的关系，并确定了最佳的材料组分与合成工艺；（2）研制出基于电光聚合物包层调制的高速电光开关器件，通过引入共面波导调制电极来提高电光重叠积分因子，有效提高了器件的调制效率；（3）研制出基于有机聚合物材料的平面光波导放大器，通过材料设计和工艺优化，获得了较高的光学增益；（4）在上述研究基础上，研制出了以电光聚合物作为波导包层、有机光放大材料作为波导芯层的有源复合光波导器件，实现了单一波导同时具有电光调制和信号放大的双重功能，并进一步通过光波导集成设计和制备技术研究，将基于有源复合光波导结构的高速电光开关、光波导放大器、光分束器和光耦合器等关键光学元件集成在同一芯片上，实现多种功能的进一步复合，研制出了开关时间小于100ps，相对增益大于10dB/cm的有源复合光波导器件。在研究过程中，全面解决了有源复合光波导及集成器件的模拟设计、工艺制备、性能测试和耦合封装等关键技术，实现了对聚合物平面光波导功能集成芯片的有益探索与技术储备。按照本项目的年度计划并结合研究工作的实际情况，经过项目组成员的共同努力，全面完成项目的各项指标。项目执行期间，共发表标注本项目资助的SCI论文29篇，EI论文4篇，同时申请国家发明专利6项，其中获得授权国家发明专利4项，超额完成了预期指标。