稀土摻雜光波導(dǎo)放大器作為補(bǔ)償各類光損耗的重要光子器件，在集成光子芯片中應(yīng)用廣泛。光波導(dǎo)放大器一般采用激光器作為泵浦源，依靠稀土離子的本征吸收與輻射躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)光放大，然而，激光器泵浦源容易造成波導(dǎo)的熱損傷、商用化成本也高、在硅光芯片中無(wú)法靈活放置，且器件的放大波長(zhǎng)單一，這些問(wèn)題使得稀土摻雜光波導(dǎo)放大器的規(guī)?；瘧?yīng)用受限。因此，探索新的光放大機(jī)制與方法具有重要的科學(xué)研究意義與工程應(yīng)用價(jià)值。
廈門大學(xué)張丹教授、黑龍江大學(xué)許輝教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)以DBTTA為陰離子配體，以含有二苯基膦氧基團(tuán)的DBFDPO、FDPO為中性配體，構(gòu)建了兩種釹配合物：Nd(DBTTA)3(DBFDPO)、Nd(DBTTA)3(FDPO)，并將其分別與熱激發(fā)延遲熒光分子（Thermally activated delayed fluorescence, TADF）AQ(PhDPA)2共摻，通過(guò)有機(jī)配體與稀土Nd3+離子的分子內(nèi)能量傳遞、以及配體與AQ(PhDPA)2分子間的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了Nd3+離子與AQ(PhDPA)2分子的同步高效發(fā)光；同時(shí)，設(shè)計(jì)并制備了適合材料的倏逝波結(jié)合鋁反射鏡的硅基聚合物光波導(dǎo)，僅靠一個(gè)低功率藍(lán)紫光LED泵浦，在截面尺寸為4 × 8 μm 2的波導(dǎo)器件上，實(shí)現(xiàn)了637 nm可見(jiàn)光（6.1dB/cm）和1067 nm近紅外光（3.5 dB/cm）的光增益。
該項(xiàng)研究，將分子能量傳遞理論與LED泵浦技術(shù)相結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)了低功率泵浦下的雙波長(zhǎng)放大，降低了光波導(dǎo)放大器的商用化成本，適應(yīng)密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，頗有“一舉兩全”之妙！而且，釹配合物與TADF分子AQ(PhDPA)2共摻的有源聚合物材料，可以方便地旋涂在氮化硅、硅、玻璃等不同類型的光子平臺(tái)上來(lái)實(shí)現(xiàn)光損耗的補(bǔ)償，具有普適兼容性，這項(xiàng)研究對(duì)于推動(dòng)聚合物光波導(dǎo)放大器在硅光互聯(lián)與集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展開(kāi)辟了新方向。
圖1. 室溫下材料吸收譜。 a. Nd(DBTTA)3(FDPO)粉末、Nd(DBTTA)3(FDPO)摻雜PMMA薄膜。b. Nd(DBTTA)3(DBFDPO) 粉末、Nd(DBTTA)3(DBFDPO)摻雜PMMA薄膜。c. NdCl3·6H2O粉末、NdCl3·6H2O摻雜PMMA薄膜作對(duì)比。d. AQ(PhDPA)2摻雜PMMA 薄膜、AQ(PhDPA)2與兩種NdⅢ 配合物分別共摻PMMA薄膜。
圖2. 室溫下材料的發(fā)射譜。a. 在75 mW 405 nm LED激發(fā)下，NdⅢ 配合物、AQ(PhDPA)2、以及AQ(PhDPA)2與NdⅢ 配合物共摻（1:2）材料的發(fā)射譜。 b和 c. 不同摻雜比例下AQ(PhDPA)2與NdⅢ 配合物共摻的發(fā)射譜（75 mW 405 nm LED激發(fā)）。d. 405 和 450 nm LED激發(fā)下，AQ(PhDPA)2、AQ(PhDPA)2 與NdⅢ 配合物共摻材料的發(fā)射譜對(duì)比。
圖3. NdⅢ 配合物與AQ(PhDPA)2間的能量傳遞示意圖
圖4. 倏逝波波導(dǎo)的掃描電鏡圖片（SU-8為通道波導(dǎo)）。a. AQ(PhDPA)2與Nd(DBTTA)3(DBFDPO) 共摻PMMA作為上包層，插圖為近場(chǎng)光斑。 b. AQ(PhDPA)2與Nd(DBTTA)3(FDPO) 共摻PMMA作為上包層，厚度約為1μm。
圖5. 波導(dǎo)器件在1067 nm波長(zhǎng)的相對(duì)增益性能。a. AQ(PhDPA)2與兩種NdⅢ 配合物分別共摻，不同摻雜濃度下波導(dǎo)的相對(duì)增益對(duì)比。b和c. AQ(PhDPA)2與兩種NdⅢ 配合物的摻雜比例均為1:4時(shí)，波導(dǎo)中輸出信號(hào)光強(qiáng)度隨405nm LED泵浦功率變化情況。
圖6. 450 nm LED激發(fā)下，輸出信號(hào)光強(qiáng)度隨泵浦功率變化情況（637 nm）。a. AQ(PhDPA)2與Nd(DBTTA)3(FDPO) 共摻PMMA作為上包層的波導(dǎo)測(cè)試結(jié)果。b. AQ(PhDPA)2與Nd(DBTTA)3(DBFDPO) 共摻PMMA作為上包層的波導(dǎo)測(cè)試結(jié)果。內(nèi)插為不同摻雜比例下的增益測(cè)試結(jié)果。c和d. 405和450 nm LED激發(fā)下的增益結(jié)果對(duì)比。
圖7. 增益在有、無(wú)反射鏡的倏逝波波導(dǎo)中的對(duì)比情況。a. 450 nm LED激發(fā)下，637 nm波長(zhǎng)處的相對(duì)增益對(duì)比。b. 405 nm LED激發(fā)下，1067 nm波長(zhǎng)處的相對(duì)增益對(duì)比。
該項(xiàng)研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB2800500）、國(guó)家自然科學(xué)基金（61875170，61107023），福建省自然科學(xué)基金（2022J01063）等項(xiàng)目的資助。
論文信息：
Optical Amplification at 637 and 1067 nm based on Organic Molecule AQ(PhDPA)2 and NdIII Complex Codoped Polymer Waveguides
Yuyang Huang, Yi Man, Guohua Xie, Ce Wang, Baoping Zhang, Hui Xu*, Hongyan Fu, Jiyun Zhu, Ziyue Lv, Leiying Ying, Feng Xia, Dan Zhang*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202201366
論文原文
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202201366
（來(lái)源：MaterialsViews）
