近日，廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院張丹教授團(tuán)隊(duì)在硅光放大領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Science》，《Advanced Optical Materials》，《Journal of American Chemical Society》發(fā)表系列研究成果。

張丹教授課題組

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(kāi)關(guān)、調(diào)制器、微環(huán)、探測(cè)器等各種有源/無(wú)源光子器件集成在一起，補(bǔ)償光子集成芯片的光損耗。然而，這類(lèi)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(wèn)題，限制了其在光通信核心芯片的規(guī)?；瘧?yīng)用?；诖耍瑥埖そ淌趫F(tuán)隊(duì)與黑龍江大學(xué)許輝教授團(tuán)隊(duì)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(jī)理，解決了低功率泵浦實(shí)現(xiàn)光增益的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，開(kāi)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(diǎn)，特別適用于高密度光子集成芯片的光損耗補(bǔ)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(gè)近紅外波長(zhǎng)分別實(shí)現(xiàn)了10.5和 8.5 dB/cm 的高增益。

開(kāi)發(fā)了一維鉺配位鏈[Er(DBTTA)3(FDPO)]n，通過(guò)磷氧化物配體橋接來(lái)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(guò)調(diào)控波導(dǎo)截面尺寸的方法提高1.5 μm信號(hào)光與365 nm LED泵浦光光場(chǎng)的重疊，在截面尺寸為2 × 3 μm2，長(zhǎng)度為1cm的波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)了1.53 和1.55 μm波長(zhǎng)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)，我院2021級(jí)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(bào)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了C波段8.2 dB cm?1的相對(duì)增益；通過(guò)添加鋁反射鏡的方法，進(jìn)一步提升了器件對(duì)LED泵浦光的吸收效率，將相對(duì)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），我院2021級(jí)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(kāi)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(chǎng)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(zhǎng)分別實(shí)現(xiàn)了5.7和4.9 dB/cm的光增益，此性能超過(guò)了目前大多數(shù)無(wú)機(jī)摻釹波導(dǎo)放大器。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了在宿主基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)均勻分散與局部鑭系中心化的平衡對(duì)于開(kāi)發(fā)高性能稀土摻雜光波導(dǎo)放大器的重要性，得出的準(zhǔn)確構(gòu)效關(guān)系對(duì)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)滿意與我院2021級(jí)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(tuán)隊(duì)繼實(shí)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(bǔ)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(jī)發(fā)光材料在光子芯片領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)有機(jī)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(qián)教授、柔性電子（未來(lái)技術(shù)）研究院謝國(guó)華教授的幫助，由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃信息光子技術(shù)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（2021YFB2800500）、國(guó)家自然科學(xué)基金（61875170）、福建省自然科學(xué)基金（2022J01063）等項(xiàng)目資助。