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近日,我系張丹教授團隊在硅光放大領(lǐng)域取得重要研究進展,在國際頂級期刊《Advanced Science》,《Advanced Optical Materials》,《Journal of American Chemical Society》發(fā)表系列研究成果。
稀土摻雜光波導(dǎo)放大器是片上光子集成的重要器件之一,可以和光開關(guān)、調(diào)制器、微環(huán)、探測器等各種有源/無源光子器件集成在一起,補償光子集成芯片的光損耗。然而,這類器件存在激光泵浦造成的波導(dǎo)熱損傷、稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光、商用化成本高等問題,限制了其在光通信核心芯片的規(guī)?;瘧?yīng)用。基于此,張丹教授團隊與黑龍江大學(xué)許輝教授團隊合作,制備了具有高效近紅外發(fā)光性能的系列稀土鉺、釹配合物,揭示了配體與中心稀土離子的分子內(nèi)能量傳遞機理,解決了低功率泵浦實現(xiàn)光增益的技術(shù)瓶頸問題,開發(fā)的硅基稀土摻雜光波導(dǎo)放大器具有成本低廉、環(huán)境友好、增益出色的特點,特別適用于高密度光子集成芯片的光損耗補償。
成果一:研制了基于一維鉺配位鏈摻雜的硅基聚合物光波導(dǎo)放大器,在1.53 μm 、1.55 μm兩個近紅外波長分別實現(xiàn)了10.5和 8.5 dB/cm 的高增益。
開發(fā)了一維鉺配位鏈[Er(DBTTA)3(FDPO)]n,通過磷氧化物配體橋接來提高局部Er3+離子濃度和輻射效率,以及配體到Er3+的鏈內(nèi)能量遷移效率;采用與CMOS兼容的半導(dǎo)體工藝,制備了硅基摻鉺光波導(dǎo)放大器,通過調(diào)控波導(dǎo)截面尺寸的方法提高1.5 μm信號光與365 nm LED泵浦光光場的重疊,在截面尺寸為2 × 3 μm2,長度為1cm的波導(dǎo)中,實現(xiàn)了1.53 和1.55 μm波長光增益。

該成果以“ Optical Amplification at 1.5 μm in ErIII Coordination Polymer-Doped Waveguides Based on Intramolecular Energy Transfer ”為題,發(fā)表在《Advanced Science》( IF:15.1),我系2021級碩士生史曉武與黑龍江大學(xué)化學(xué)化工與材料學(xué)院博士生滿意為論文的共同第一作者,張丹教授和黑龍江大學(xué)許輝教授為共同通訊作者。
成果二:研制了基于單核鉺配合物的硅基光波導(dǎo)放大器,獲得了光通信C波段11.6 dB/cm的增益,該器件增益是目前報道的摻鉺配合物光波導(dǎo)放大器的最高增益。
構(gòu)建了一種單核鉺配合物Er(DBTTA)3(DBFDPO) ,依靠膦氧基配體 DBFDPO 具有配位能力的氧原子,抑制溶劑效應(yīng)導(dǎo)致的激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)松弛,增強配體到Er3+離子的能量傳遞效率;制備了基于該單核鉺配合物硅基聚合物光波導(dǎo)放大器,在截面尺寸為4 × 4 μm2的波導(dǎo)中,實現(xiàn)了C波段8.2 dB cm?1的相對增益;通過添加鋁反射鏡的方法,進一步提升了器件對LED泵浦光的吸收效率,將相對增益和內(nèi)增益分別提高至11.6 和7.4 dB cm?1。

該成果以“Demonstration of Optical Gain at 1535 nm Based on ErIII Complex-Doped Polymer Waveguides Under Light-Emitting Diode Excitation“為題發(fā)表在《Advanced Optical Materials》(IF: 9.0),我系2021級碩士生何巖與黑龍江大學(xué)博士生滿意為論文的共同第一作者,張丹教授和許輝教授為共同通訊作者。
成果三:提出了一種有效的“局部積累輸出”策略用于開發(fā)高增益一維鏈Nd3+配位聚合物近紅外發(fā)光材料及光波導(dǎo)器件。
在基于一維鏈Nd3+配位聚合物制備的嵌入式和倏逝場型兩種硅基摻釹光波導(dǎo)器件中,采用功率< 200 mW的365 nm LED泵浦,在1.06 μm波長分別實現(xiàn)了5.7和4.9 dB/cm的光增益,此性能超過了目前大多數(shù)無機摻釹波導(dǎo)放大器。這項工作強調(diào)了在宿主基質(zhì)中實現(xiàn)均勻分散與局部鑭系中心化的平衡對于開發(fā)高性能稀土摻雜光波導(dǎo)放大器的重要性,得出的準確構(gòu)效關(guān)系對硅光放大領(lǐng)域的后續(xù)研究具有重要的參考意義。

該成果以“Phosphine Oxide-Nd3+ Coordination Chains with Cumulated Output Enable Efficient LED-Pumping Optical Amplification“為題發(fā)表在《Journal of American Chemical Society》(IF: 15.4),黑龍江大學(xué)滿意與我系2021級碩士生史曉武為論文的共同第一作者,黑龍江大學(xué)許輝、韓春苗教授和張丹教授為共同通訊作者。
上述成果是張丹教授團隊繼實現(xiàn)硅基光波導(dǎo)放大器在0.64 μm、0.98 μm、1.06 μm、1.31μm波段光損耗補償(Adv. Mater, 2209239, 2023,IF:32.086;Adv. Opt. Mater, 2202005, 2022, IF:10.05;Small methods, 173301, 2021, IF:15.367)之后的又一次重要突破。這些研究工作發(fā)揮了有機發(fā)光材料在光子芯片領(lǐng)域的優(yōu)勢,構(gòu)建了區(qū)別于傳統(tǒng)稀土摻雜光波導(dǎo)放大器的學(xué)術(shù)思想,有望降低光放大芯片的商用化成本,為推動有機光子器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。
上述工作涉及信息光子、化學(xué)、材料、物理等多學(xué)科交叉領(lǐng)域,得到了學(xué)院張保平、蔡志平、董俊、于大全教授的悉心指導(dǎo),以及李澄、羅正錢教授、柔性電子(未來技術(shù))研究院謝國華教授的幫助,由國家重點研發(fā)計劃信息光子技術(shù)重點專項(2021YFB2800500)、國家自然科學(xué)基金(61875170)、福建省自然科學(xué)基金(2022J01063)等項目資助。
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