随着互联网、人工智能和云计算的发展，对光网络通信带宽的需求也在快速增长，应用对光通信系统中光电子器件的可靠性、小型化、功耗和成本等均提出了更高要求。正如电路的集成化，发展成为集成电路芯片一样，光路也将走向集成化，发展成为集成光芯片(PIC)。

光集成芯片同样采用半导体加工方式，可实现批量高效生产，芯片的成本更低、体积更小、性能更稳定，具有技术含量高、性能指标高和产品附加值高等特点。集成光芯片正逐步成熟，面向更广泛的市场应用。

吉林大学张大明教授课题组以设计并制备高性能平面光子集成器件，实现其产业化应用为目标，针对高性能聚合物材料合成、器件结构设计、低损耗波导工艺、芯片性能测试分析，以及高效耦合封装中的基础问题和关键技术进行了深入系统的研究。

1. 集成光开关

光开关与光开关阵列是构建光通信网络的重要器件，在光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等作用，是插分复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）的核心技术。与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类多样、加工工艺灵活、抗电磁干扰能力强等优点，并且具有无机材料所无法比拟的高热光系数和高电光系数独特优势，进而使得利用其制备的光开关器件具有优异的性能，在光通信用平面波导光开关及其三维集成器件中具有广阔的应用前景。

基于掩埋型共面电极的高速电光开关

基于有机/无机混合波导芯层的加载条形波导热光开关

基于非线性聚合物包层波导的高速电光开关

2. 波导电光调制器

电光调制器的用途很广，特别是高比特率和大容量的光通信网络往往需要高性能的电光调制器件，如相干光纤通信系统、光纤有线电视（CATV）系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路等。和无机材料相比，有机材料可以通过分子工程优化和提高二阶光学非线性，具有介电常数低、电光系数大、响应速度快和抗电磁干扰能力强等优点，在集成波导电光调制器方面具有巨大的潜力，成为近年来人们的研究热点。

极化聚合物高速电光调制器

3. 有机光波导放大器

在集成光学芯片的研究中，集成度的增加必然带来损耗的增加和叠加，最终将影响到光信号的通讯质量。掺铒光纤放大器(EDFA)是光纤通信史上最重要的发明之一，但在光纤到户(FTTH)的短距离传输中，EDFA的应用就存在较大的困难。此外，由于在平面光子集成中无法应用EDFA，因此采用铒掺杂的平面光波导放大器(EDWA)来满足上述需求具有重要的研究意义。

三维泵浦光的光放大器结构图和其增益特性曲线

高增益聚合物光波导放大器

集成放大功能的聚合物波导可见光开关器件

4. 模分复用器件

作为通信骨干的光纤传输系统，主要通过对光信号时间、波长、偏振和相位进行复用，提高单光纤信息传输容量，但基于上述复用技术的带宽拓展已接近单模光纤的理论极限。增加对光空间维度的复用（SDM），在光纤内建立基于单波长、多模式的独立并行数据通道，可进一步提高光纤传输能力，降低单位比特能耗。基于低差分模式群时延（DMGD）少模光纤（FMF）的模分复用（MDM）技术可利用空间正交模式增加自由度，每个模式均可作为独立信道而增加光纤传输容量，对解决数据中心的通信瓶颈具有重要意义。课题组针对MDM系统中的关键器件:模式复用/解复用器-实现基模和高阶模之间的转换和复用，模式开关-控制模式的转换或信道切换，和模式转换器-负责实现不同模式的转换，展开了系统研究。

基于片上光互联的少模光纤传输系统

5. 三维集成光芯片

光波导器件已广泛用于石油开采、航空航天、生物化学和医疗等领域，但现有的光波导芯片集成度受损耗问题困扰，尤其对于三维波导器件，其成倍增加的损耗问题已经成为芯片发展的瓶颈。

聚合物矩形光波导与微流控三维集成芯片制备方法

微流控通道与光波导免对版集成芯片的工艺流程图

6. 光波导传感芯片

光波导在液体传感领域具备响应速度快、实时监测、灵敏度高等特点。其中，光波导和微流控的集成可降低试样的消耗，提升传感的准确度，在化学物质分析、生物分子研究和医疗检测等领域有广泛应用。

集成光波导液体传感器