Review | 电光聚合物的研究进展

论文导读

      为了满足高速数据传输、处理和大容量信息运算的需求，光子作为信息载体具有良好并行性、高频率、宽带宽、高速度以及抗电磁波干扰等优点，成为高速通信发展的必然趋势。电光调制器作为光通信系统中的关键器件，不仅在调制速率方面对其提出了更高的要求，同时还希望尽可能低的半波电压和高的稳定性。电光聚合物以其介电常数低、电光系数大等突出优点，对于制备高带宽、低驱动电压电光调制器具有明显优势。现代合成方法学的快速发展加速了电光聚合物的设计合成以及电光机理的研究。西湖大学邱枫教授团队于2021年7月28日在PhotoniX上发表题为“Recent progress in electro-optic polymer for ultra-fast communication”的论文，综述了近年来电光聚合物材料在提升电光效应、极化效率和稳定性方面的研究进展。

研究背景

      随着5G、光计算、互联网、传感、人工智能、各种多媒体/数据/信号处理等新技术的出现，信息产业极大地改变了人们的工作和生活方式。这一变化使光电子器件行业面临着前所未有的挑战和机遇。对于高速通信而言，其难点在于如何快速地将电信号转换为光信号。电光调制器作为实现电光转换的主要功能器件，也面临更高的要求：1) 低驱动电压；2) 低光损；3) 低能耗；4) 高带宽等。随着研究人员对电光调制器的研究越来越深入，发现电光材料的性能成为调制器性能的决定性部分。目前商业化的电光材料主要是铌酸锂晶体，然而其电光系数仅为30 pm/V。因此，以铌酸锂为核心材料加工的电光调制器存在驱动电压高、能耗高等问题。不仅如此，当调制频率达到调制极限时，电光调制器的性能会迅速下降。为了解决高能耗、调制极限及器件稳定性等问题，电光聚合物因其二阶非线性光学系数高、响应速度快、带宽高、可加工集成性好、选择范围广、介电常数低以及光电信号相位失配小等优点受到了极大的关注。

技术突破

      高速通信的快速发展对电光聚合物提出了更高的要求: (1)更高的材料电光系数r₃₃; (2)更小的半波电压; (3)良好的稳定性(化学, 物理, 取向)。近年来，华盛顿大学的Dalton团队、西湖大学邱枫团队等在提升材料的电光性能、稳定性以及器件的设计、制备方面取得了巨大的进展。目前，已有侧链型电光聚合物实现了在超过105℃下放置2000小时依旧能够保持基本不变的高调制性能（200 Gb/s的超快单通道数据速率）。交联型电光聚合物经过电场极化，然后原位热交联以形成稳定的电光聚合物材料。该交联型电光聚合物具有高发色团密度（> 5 × 1020 分子/cm³）和高折射率（n = 1.89 在 1310 nm），实现了高电光系数（290 ± 30 pm/V）高热稳定性（85°C保持 500 小时后，电光系数保持在初始值 99% 以上）。表一中总结了本综述中提及的部分电光聚合物的性能参数。

观点评述

      本文总结了应用于高速通信领域的电光聚合物的研究进展。电光聚合物的性能主要由发色团的一阶超极化率所决定，具有较高一阶超极化率的发色团更有利于获得宏观电光特性。此外，聚合物的极化效率、稳定性（物理、化学、取向）以及合成的成本等，也是电光聚合物优良的衡量标准。电光聚合物主要包括了以下类型：1.主客体掺杂聚合物；2.侧链型聚合物；3. 主链型聚合物；4. 交联型聚合物。对于这几类聚合物，各自有相应的优缺点。主客体掺杂聚合物制备方便，但是稳定性较差（发色团未连接到聚合物链上）以及主客体材料的兼容性不确定。而侧链和主链聚合物，前者增强了材料稳定性，而后者则增加了发色团负载密度。在交联型电光聚合物中，发色团以共价键的方式相互连接，同时增加了发色团的负载密度和材料的稳定性。电光聚合物合成路线的优化、引入新的器件概念和微纳加工的发展将成为电光聚合物的规模化商用的决定性因素，总而言之电光聚合物在高速通信领域的应用前景是非常巨大。

主要作者

      邱枫，西湖大学特聘研究员，长期致力于面向光通信/光子计算的集成光子学研究，在高速调制器、光电集成模块、电光聚合物材料方向取得了一系列独创性成果。近年来，在Nature Communications、Laser & Photonics ReviewsACS Photonics等著名国际期刊共发表论文50余篇。团队目前专注于深入研发高性能电光材料、集成光子芯片、微波光子芯片等核心技术，重点解决光子信息交互与计算、相控阵雷达与传感、无线通信、生物医疗等领域发展中遇到的带宽、速率、多功能集成等瓶颈问题。

      邓倪平， 2019年获得南京林业大学大学硕士学位，现在西湖大学工学院先端光子信息实验室攻读材料科学与工程的博士学位。研究兴趣包括有机电光聚合物以及功能有机材料的设计与制备。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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