近日，厦门大学张丹教授课题组与黑龙江大学许辉教授课题组 合作，在有机光子器件及其集成技术领域取得突破性进展，相关成果以“High-Gain of NdⅢ Complex Doped Optical Waveguide Amplifiers at 1.06 and 1.31 µm Wavelengths Based on Intramolecular Energy Transfer Mechanism” 为题发表在Advanced Materials 上，并被选为当期卷首文章（frontispiece）。 稀土掺杂光波导放大器作为补偿各类光损耗的重要光子器件，在集成光子芯片中应用广泛。这类器件一般采用激光器作为泵浦源，依靠稀土离子的本征吸收与辐射跃迁来实现光放大。然而，激光器泵浦容易造成波导的热损伤、商用化成本也高，且在硅光芯片中无法灵活放置，这些问题使得稀土掺杂光波导放大器在平面光子集成中的规模化应用受限。因此，探索新的光放大机制与方法具有重要的科学研究意义与工程应用价值。 张丹教授与许辉教授的这项研究工作以噻吩基三氟甲基乙酰丙酮（TTA）为阴离子配体，以含有二苯基膦氧基团的XPO为中性配体，合成了钕配合物Nd(TTA)3 (XPO)，通过有机配体与中心稀土钕离子的分子内能量传递作用，实现了钕离子在两个近红外波长1.06 µm 和1.31 µm的高效发光。同时，设计并制备了适合材料的掩埋条形和倏逝波型两种结构的硅基聚合物光波导器件，采用低功率发光二极管（LED）替代传统的激光器作为泵浦源，在1.06 µm波长处实现了22.5 dB/cm的光增益，这是目前有机光波导放大器在该波长的最高增益报道。此外，器件在1.31 µm波长处获得了8.4 dB/cm的光增益，这也是该类器件在光通信O波段实现高增益光放大的一项突破。 图1. 室温下材料吸收谱。a. Nd(TTA)3 (XPO)粉末、Nd(TTA)3 (XPO)掺杂SU-8、掺杂PMMA薄膜的吸收对比。b. NdCl3 ·6H2 O粉末、NdCl3 ·6H2 O掺杂SU-8、掺杂PMMA薄膜的吸收对比。c. 聚合物SU-8与PMMA 薄膜的吸收谱。（图片来源：Adv. Mater. ） 图2. 365和395nm LED激发下，NdCl3 ·6H2 O、Nd(TTA)3 (XPO)分别掺杂聚合物SU-8及PMMA薄膜的发射谱。（LED功率：173mW）（图片来源：Adv. Mater. ） 图3. 有机配体与稀土钕离子间的分子内能量传递示意图（图片来源：Adv. Mater. ） 图4. a和c. 掩埋条形波导的结构示意图与扫描电镜图片。其中，Nd(TTA)3 (XPO)掺杂SU-8作为芯层。b和d. 倏逝波波导的结构示意图与扫描电镜图片。其中，聚合物SU-8作为芯层，Nd(TTA)3 (XPO)掺杂PMMA作为上包层，厚度约为1 μm， 内插图为近场光斑。（图片来源：Adv. Mater. ） 图5. 掩埋条形波导器件在1061 nm和1313 nm波长的增益性能。a和b.分别采用 365和395 nm LED激发时，在1061nm波长处的波导输出光强随泵浦功率的变化情况。b和c.分别采用 365和395 nm LED激发，在1313 nm波长处的相对增益随泵浦功率的变化情况。（图片来源：Adv. Mater. ） 图6. 倏逝波波导器件在1061 nm波长处的增益性能。a和b.分别采用 365和395 nm LED激发时，在1061 nm波长处的波导输出光强随泵浦功率的变化情况。c. 不同输入信号光功率下，相对增益的变化情况。d. 采用LED激发和808 nm激光器激发下的器件增益对比。（图片来源：Adv. Mater. ） 图7. 倏逝波波导器件在1313 nm波长的增益性能。a和b.分别采用 365和395 nm LED激发，在1313 nm波长处的相对增益随泵浦功率的变化情况。c. 不同输入信号光功率下，相对增益的变化情况。d. 掩埋条形波导与倏逝波波导的增益性能对比。（图片来源：Adv. Mater. ） 图8. 近年来报道的稀土钕掺杂的光波导放大器的增益性能对比。（图片来源：Adv. Mater. ） 这项研究将分子内能量传递理论与LED泵浦技术相结合，首次实现了器件在一个低功率LED泵浦下的近红外波段双波长的高增益，同时，大大降低了光波导放大器的商用化成本，适应密集波分复用技术的发展趋势，推动了有机光波导放大器在硅光互联与集成的产业化发展。 厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）林铸良 硕士与黑龙江大学化学化工与材料学院满意 博士为论文的共同第一作者，张丹 教授和黑龙江大学许辉 教授为共同通讯作者。该项研究获得了国家重点研发计划信息光子技术重点专项、国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。 张丹 ，厦门大学电子科学与技术学院教授、博士生导师，2003年毕业于吉林大学电子工程系，2008年于吉林大学获得微电子学与固体电子学博士学位，同年加入厦门大学，2017-2018获国家公派出国留学项目资助在美国德克萨斯大学奥斯汀分校开展访学研究，研究方向为有机光子器件及其集成技术。主持国家自然科学基金、国家重点研发项目子课题、省部级等各类科研项目10余项，作为第一或通讯作者在Adv. Mater. , Adv. Opt. Mater. , Small Methods , Opt. Express , Appl. Phys. Lett. 等国际重要学术期刊上发表论文40余篇，获福建省第三届高校青年教师教学竞赛一等奖。 许辉 ，黑龙江大学化学化工与材料学院院长、教授、博士生导师，功能无机材料化学教育部重点实验室常务副主任。黑龙江省“535”工程第二层次“有机化学”领军人才梯队后备带头人。国家青年人才计划入选者，百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家，洪堡资深学者，黑龙江省龙江学者特聘教授。主要从事磷基光电功能材料的研究，研究成果在Nat. Photon. 、Nat. Common. 、Chem 、Sci. Adv. 、J. Am. Chem. Soc. 、Angew. Chem. Int. Ed. 、Adv. Mater. 等国际期刊上发表SCI论文130余篇，他引6000余次。主持承担国家自然科学基金委重大研究计划重点支持项目等各级各类项目30余项，荣获黑龙江省省科学技术一等奖等。
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