廈門大學(xué)張丹課題組AOM封面文章“同工異曲”——基于TADF分子的硅基聚合物光波導(dǎo)放大器

  近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子與集成電路系張丹課題組在硅光放大與集成技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Optical Gain at 637 nm Wavelength in Polymer Waveguide Amplifier Under Commercial LED Pumping for Planar Photonic Integration“為題發(fā)表在國際光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Optical Materials上，并被選為當(dāng)期封面文章;6月14日，Wiley中國官方公眾號(hào) Advanced Science News(ASN)對(duì)該研究成果進(jìn)行了專題亮點(diǎn)報(bào)道。

  光波導(dǎo)放大器作為補(bǔ)償各類光損耗的重要光子器件，在硅光平面集成中應(yīng)用廣泛。有機(jī)發(fā)光分子摻雜的聚合物材料具有低成本、環(huán)境友好和器件化工藝簡單等特點(diǎn)，適合用來制作光波導(dǎo)放大器，然而，用于受激輻射的單重態(tài)激子壽命短，容易系間竄躍(Intersystem crossing, ISC)至三重態(tài)，導(dǎo)致單重態(tài)激子猝滅，制約著這類材料在光放大領(lǐng)域的應(yīng)用。張丹課題組針對(duì)這一問題，提出采用熱激發(fā)延遲熒光(Thermally activated delayed fluorescence, TADF)分子AQ(PhDPA)2作為有源物質(zhì)，利用該分子的反向系間竄躍過程( Reverse intersystem crossing, RISC)和在藍(lán)紫光波段具有強(qiáng)吸收的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功率LED泵浦下的紅光放大。

  AQ(PhDPA)2分子具有給受體(Donor-Acceptor, D-A)結(jié)構(gòu)，由于強(qiáng)的分子內(nèi)和分子間電荷轉(zhuǎn)移(Charge transfer, CT)效應(yīng)，能夠促進(jìn)RISC和延遲熒光(Delayed fluorescence, DF)發(fā)射，大大提高了激子利用率和發(fā)光量子效率。張丹團(tuán)隊(duì)分別將 TADF分子AQ(PhDPA)2摻雜到甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和光刻膠SU-8材料中制備了光波導(dǎo)放大器，設(shè)計(jì)了適合材料的有源矩形、倏逝波型以及雙有源復(fù)合型三種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。僅靠一個(gè)放置在器件上方的LED泵浦，在AQ(PhDPA)2摻雜SU-8為芯層，AQ(PhDPA)2摻雜PMMA為包層的雙有源復(fù)合型波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)了7.8 dB/cm的紅光(637nm)增益。

  該項(xiàng)成果，首次將TADF分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域由第三代有機(jī)電致發(fā)光二極管(OLED)拓展到硅光集成中，頗有“子云相如，同工異曲“之妙!而且，TADF分子AQ(PhDPA)2摻雜的聚合物可以方便地旋涂在氮化硅(Si3N4)、硅(Si)、玻璃等不同類型的光子平臺(tái)上來實(shí)現(xiàn)光損耗的補(bǔ)償，具有普適兼容性。

  另外，適合該材料的LED泵浦技術(shù)，打破了半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的傳統(tǒng)思想，降低了器件的商用化成本，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)展開辟了新方向。

  廈門大學(xué)為該成果論文的第一完成單位，我院碩士研究生王策為第一作者，張丹副教授和武漢大學(xué)謝國華副教授為共同通訊作者。這項(xiàng)工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃信息光子技術(shù)重點(diǎn)專項(xiàng)(2021YFB2800500)、國家自然科學(xué)基金(61875170，61107023)的資助。

  該封面論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.202200205

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