基于新型光电功能材料的高速低功耗光调制技术研究

High performance modulators are crucial devices for on-chip optical connections. Wide bandwidth and low power consumption are two main objectives of this project. Principles and fabrication of high-speed electro-optic (EO) modulators based on new organic materials and silicon waveguides will be investigated. The synthesis, characterization and compatibility of organic EO materials on silicon substrate will be performed. Material model of the EO coefficient and enhancement of plasma dispersion effect will be constructed. The use of new “spindle” like chromophores can guarantee the high optical nonlinearity and time stability. The polymer/silicon slot waveguide configuration is favorable to optimize the optical field distribution. Meanwhile, GeSi alloy will be adopted as the active source to enhance plasmon dispersion effect and improve modulation efficiency, which can decrease the device size and power consumption by 50 %. The accomplishment of this project will establish bedrock for the application of silicon based on-chip optical interconnections.

项目针对片上光互连系统对调制器的性能需求，以提高调制器调制带宽、减小器件体积和降低能耗为主要目标，开展基于新型有机电光材料普克尔斯效应和增强等离子色散效应的硅基高速调制器机理及器件研究。开展新型电光材料的制备、表征及工艺兼容性研究，设计合成新颖的“纺锤形”生色团分子，在保证材料具有较大电光系数的同时增加取向稳定性，结合SOI Slot波导制备100GHz硅基有机电光调制器；在硅基调制器研究方面，阐明限制硅基调制器调制效率提高的主要瓶颈以及解决方案，通过引入应变和锗组分调节硅锗材料的等离子色散效应，建立等离子色散效应与材料参数的理论模型，获得优化的材料参数，利用其增强的等离子色散效应制备基于应变硅锗材料作为有源区的高速光电调制器，提升器件的调制效率，相比于基于硅材料等离子色散效应的调制器，器件尺寸和功耗各降低50%以上，为片上光互连系统的应用和发展奠定坚实的器件基础。

项目针对片上光互连系统对调制器的性能需求，以提高调制器调制带宽、减小器件体积和降低能耗为主要目标，开展基于新型有机电光材料普克尔斯效应和增强等离子色散效应的硅基高速调制器机理及器件研究。开展了新型电光材料的制备、表征及工艺兼容性研究，设计并合成了新颖的“纺锤形”生色团分子，在保证材料具有较大电光系数的同时增加取向稳定性；在硅基调制器研究方面，阐明限制硅基调制器调制效率提高的主要瓶颈以及解决方案，通过引入应变和锗组分调节硅锗材料的等离子色散效应，建立等离子色散效应与材料参数的理论模型，获得优化的材料参数，利用其增强的等离子色散效应制备基于应变硅锗材料作为有源区的高速光电调制器，提升器件的调制效率；通过与中科院半导体所合作研制出100.4GHz的硅基电光调制器。.在本项目的资助下，不但在新型电材料材料合成与表征、高速低功耗电光调制器件理论分析设计和实验制备方面全面完成计划任务，而且研制出高速硅基电光调制器件。项目负责人在2016-2019年先后获得国家重点研发计划项目（2016YFB0402502，参与，经费50万元）、吉林省发改委工程实验室自主创新能力建设项目（2016C019，负责，经费50万元）、吉林省科技发展计划(20190302010GX，负责，经费100万元)等项目的资助，促进了高速低功耗电光调制器件研究的全面深入开展。.以本项目为研究工作基础，国绕国家重大战略需求，发展信息传输与处理的光电子与微电子集成芯片，做为项目负责人，2019年申请了“多层交叉结构的光子集成芯片”国家重点研发项目（项目编号：2019YFB2203000），该项目最终获得国家重点研发计划支持，项目经费：2716万元，项目起止日期：2020.1.1-2022.12.31。.本项目研究共获研究成果45项，发表研究论文37篇（其中SCI论文33篇），获国家授权发明专利8项。举办全国性学术会议1次，参与主办全国性学术会议3次；参加国内会议6次，发表国际会议邀请报告1篇，国内会议邀请报告5篇。.培养博士研究生13名，硕士研究生17名，其中博士毕业6名，硕士毕业8名。