有机聚合物材料是一类重要的光波导基础材料。与传统的半导体材料(如二氧化硅、磷化铟等)相比,它具有成本低、成膜性好、制备工艺简单、特性灵活可控等优点,因此近年来许多课题组和公司积极致力于开发高性能的光子聚合物材料及基于光子聚合物材料的光波导功能器件。目前,制约聚合物基光波导器件广泛应用的主要原因仍是材料的热稳定性问题(即材料的耐热性和材料的光学特性随时间老化问题)；此外,某些聚合物材料的光学特性仍需要进一步改善和提高以更好地满足应用上的需要。本论文立足于开发新型光子聚合物材料,并将其应用于制备光波导功能器件,通过探索和研究聚合物光波导的制备工艺,制备低成本、优良特性的聚合物基光子学功能器件是本论文的工作重心和主旨所在。目前,我们已经成功研发了两类高性能的新型光子聚合物材料(聚芳醚PPESK系列和硅氧烷PSQ系列光子聚合物材料)。两类材料均有良好的成膜特性、光学特性以及热稳定特性。我们首次对PSQ系列聚合物材料的波导制备工艺进行探索式研究。除采用传统的曝光-刻蚀工艺成功制备PSQ-L聚合物波导外,还探索了适合于PSQ-L材料的压印工艺,并成功制备了PSQ-L基微环谐振器,掌握了适合于该类材料的波导制备工艺。实验测量获得的微环谐振特性谱线与理论预期结果符合良好,充分证明了材料良好的光学性能以及波导制备工艺的可行性和先进性,为实现聚合物基有源／无源光波导器件的产业化生产及应用奠定了良好的基础。本论文完成了从聚合物材料的合成到聚合物基光波导器件的制备及测量的整个研究链路过程,并将聚合物材料PSQ与硅基波导相结合,成功实现了热不敏感的硅基光波导。下面就本论文的几个研究要点予以简要叙述：1.研发了两类新型光子聚合物材料——杂萘联苯聚芳醚系列材料(PPESK系列)和有机无机杂化的倍半硅氧烷系列聚合物材料(PSQ系列)。通过反复对两类材料特性的表征测量以及合成组分、合成条件的调整和优化,目前已经分别获两类成膜性好、光学性能良好、热学性能稳定的光子聚合物材料,且两类材料某些方面的性能优于目前市场上的同类产品。研究初期,PSQ系列聚合物材料已经可以满足波导制备上的基本要求,因此首先用以波导设计及波导制备的研究。2.利用实验测量获得的聚合物PSQ-L薄膜的光学特性参数,对PSQ-L基微环谐振器进行理论分析和数值模拟。通过对微环谐振器波导结构尺寸等参数的优化和调整,尽量避免由设计给器件带来的额外损耗而造成器件性能的劣化,最终获得PSQ-L基微环谐振器的最优设计。3.对聚合物PSQ-L基光波导器件的制备工艺进行探索式研究,分别采用传统曝光-刻蚀工艺和新兴的压印技术进行制备PSQ-L基微环谐振器。虽然采用曝光-刻蚀工艺可以成功制备侧壁光滑的PSQ-L基光波导,但这种制备工艺过程复杂且对工艺参数的控制要求苛刻,不利于器件成本的降低以及大规模生产。为此我们着重研究了一种基于压印技术的、适合聚合物PSQ-L材料自身特性的、过程简单的、可重复性好的波导制备工艺。此压印技术采用柔性模具PDMS进行紫外压印,通过在波导下包层压印波导沟槽并填埋芯层材料的方法,巧妙避免了压印中常遇到的残留层厚度的控制问题,因此在日后的应用中有着广阔的应用前景。4.对曝光-刻蚀工艺和压印技术制备的PSQ-L基微环谐振器的光谱特性进行测量,获得与理论符合良好的谐振特性曲线。通过对微环谐振曲线进行洛仑兹函数拟合,可以获得微环谐振器传输函数中的周损耗因子和能量耦合系数。周损耗因子反应了微环谐振器的弯曲波导的损耗特性。测量结果表明,采用曝光-刻蚀工艺制备的微环谐振器的弯曲波导侧壁散射损耗约为1.6dB/cm,采用压印技术制备的微环谐振器的弯曲波导的侧壁散射损耗约为1.8dB/cm。弯曲波导较低的侧壁散射损耗反映了我们良好的波导制备工艺。5.将聚合物PSQ与硅基光子学芯片进行复合集成,通过在硅基光波导器件上涂敷聚合物PSQ-LH作为波导上包层并减小波导宽度的方法可以有效地抑制硅基光波导器件的热敏感性,实现硅基光波导器件的无热化。测量结果表明,350nm左右宽度的硅基波导,在涂敷聚合物PSQ-LH上包层后,微环谐振器和马赫-曾德尔干涉仪的谐振波长随温度的变化率(dλ/dT)均下降到5.0±1.0pm/℃以下,比普通硅基光波导器件下降了约11倍。该方法对硅基波导温度敏感特性良好的抑制效果显示了其在未来应用上的巨大潜力。