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

  近日，廈門大學電子科學與技術學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領域取得突破性進展，相關研究成果以“Optical Gain at 637 nm Wavelength in Polymer Waveguide Amplifier Under Commercial LED Pumping for Planar Photonic Integration“為題發(fā)表在國際光學領域頂級期刊Advanced Optical Materials上，并被選為當期封面文章;6月14日，Wiley中國官方公眾號 Advanced Science News(ASN)對該研究成果進行了專題亮點報道。

  光波導放大器作為補償各類光損耗的重要光子器件，在硅光平面集成中應用廣泛。有機發(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，適合用來制作光波導放大器，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)，導致單重態(tài)激子猝滅，制約著這類材料在光放大領域的應用。張丹課題組針對這一問題，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)和在藍紫光波段具有強吸收的特點，實現(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)結構，由于強的分子內(nèi)和分子間電荷轉(zhuǎn)移(Charge transfer, CT)效應，能夠促進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。張丹團隊分別將 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放大器，設計了適合材料的有源矩形、倏逝波型以及雙有源復合型三種波導結構。僅靠一個放置在器件上方的LED泵浦，在AQ(PhDPA)2摻雜SU-8為芯層，AQ(PhDPA)2摻雜PMMA為包層的雙有源復合型波導中，實現(xiàn)了7.8 dB/cm的紅光(637nm)增益。

  該項成果，首次將TADF分子材料的應用領域由第三代有機電致發(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上來實現(xiàn)光損耗的補償，具有普適兼容性。

  另外，適合該材料的LED泵浦技術，打破了半導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，對于推動聚合物光波導放大器在硅光互聯(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謝國華副教授為共同通訊作者。這項工作獲得國家重點研發(fā)計劃信息光子技術重點專項(2021YFB2800500)、國家自然科學基金(61875170，61107023)的資助。

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

  新聞報道鏈接： https://mp.weixin.qq.com/s/67VJawjGKimbwks9XPEcXw