厦门大学电子科学与技术学院院张丹教授团队在硅光放大领域取得系列研究进展

近日，厦门大学电子科学与技术学院院张丹教授团队在硅光放大领域取得重要研究进展，在国际顶级期刊《Advanced Science》，《Advanced Optical Materials》，《Journal of American Chemical Society》发表系列研究成果。

张丹教授课题组

稀土掺杂光波导放大器是片上光子集成的重要器件之一，可以和光开关、调制器、微环、探测器等各种有源/无源光子器件集成在一起，补偿光子集成芯片的光损耗。然而，这类器件存在激光泵浦造成的波导热损伤、稀土离子上转换发光、商用化成本高等问题，限制了其在光通信核心芯片的规模化应用。基于此，张丹教授团队与黑龙江大学许辉教授团队合作，制备了具有高效近红外发光性能的系列稀土铒、钕配合物，揭示了配体与中心稀土离子的分子内能量传递机理，解决了低功率泵浦实现光增益的技术瓶颈问题，开发的硅基稀土掺杂光波导放大器具有成本低廉、环境友好、增益出色的特点，特别适用于高密度光子集成芯片的光损耗补偿。

成果一：研制了基于一维铒配位链掺杂的硅基聚合物光波导放大器，在1.53 μm 、1.55 μm两个近红外波长分别实现了10.5和 8.5 dB/cm 的高增益。

开发了一维铒配位链[Er(DBTTA)3(FDPO)]n，通过磷氧化物配体桥接来提高局部Er3+离子浓度和辐射效率，以及配体到Er3+的链内能量迁移效率；采用与CMOS兼容的半导体工艺，制备了硅基掺铒光波导放大器，通过调控波导截面尺寸的方法提高1.5 μm信号光与365 nm LED泵浦光光场的重叠，在截面尺寸为2 × 3 μm2，长度为1cm的波导中，实现了1.53 和1.55 μm波长光增益。

该成果以“ Optical Amplification at 1.5 μm in ErIII Coordination Polymer-Doped Waveguides Based on Intramolecular Energy Transfer ”为题，发表在《Advanced Science》( IF:15.1)，我院2021级硕士生史晓武与黑龙江大学化学化工与材料学院博士生满意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。

成果二：研制了基于单核铒配合物的硅基光波导放大器，获得了光通信C波段11.6 dB/cm的增益，该器件增益是目前报道的掺铒配合物光波导放大器的最高增益。

构建了一种单核铒配合物Er(DBTTA)3(DBFDPO) ，依靠膦氧基配体 DBFDPO 具有配位能力的氧原子，抑制溶剂效应导致的激发态结构松弛，增强配体到Er3+离子的能量传递效率；制备了基于该单核铒配合物硅基聚合物光波导放大器，在截面尺寸为4 × 4 μm2的波导中，实现了C波段8.2 dB cm−1的相对增益；通过添加铝反射镜的方法，进一步提升了器件对LED泵浦光的吸收效率，将相对增益和内增益分别提高至11.6 和7.4 dB cm−1。

该成果以“Demonstration of Optical Gain at 1535 nm Based on ErIII Complex-Doped Polymer Waveguides Under Light-Emitting Diode Excitation“为题发表在《Advanced Optical Materials》（IF: 9.0），我院2021级硕士生何岩与黑龙江大学博士生满意为论文的共同第一作者，张丹教授和许辉教授为共同通讯作者。

成果三：提出了一种有效的“局部积累输出”策略用于开发高增益一维链Nd3+配位聚合物近红外发光材料及光波导器件。

在基于一维链Nd3+配位聚合物制备的嵌入式和倏逝场型两种硅基掺钕光波导器件中，采用功率< 200 mW的365 nm LED泵浦，在1.06 μm波长分别实现了5.7和4.9 dB/cm的光增益，此性能超过了目前大多数无机掺钕波导放大器。这项工作强调了在宿主基质中实现均匀分散与局部镧系中心化的平衡对于开发高性能稀土掺杂光波导放大器的重要性，得出的准确构效关系对硅光放大领域的后续研究具有重要的参考意义。

该成果以“Phosphine Oxide-Nd3+ Coordination Chains with Cumulated Output Enable Efficient LED-Pumping Optical Amplification“为题发表在《Journal of American Chemical Society》（IF: 15.4），黑龙江大学满意与我院2021级硕士生史晓武为论文的共同第一作者，黑龙江大学许辉、韩春苗教授和张丹教授为共同通讯作者。

上述成果是张丹教授团队继实现硅基光波导放大器在0.64 μm、0.98 μm、1.06 μm、1.31μm波段光损耗补偿（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。这些研究工作发挥了有机发光材料在光子芯片领域的优势，构建了区别于传统稀土掺杂光波导放大器的学术思想，有望降低光放大芯片的商用化成本，为推动有机光子器件的产业化发展提供有力的技术支撑。

上述工作涉及信息光子、化学、材料、物理等多学科交叉领域，得到了学院张保平、蔡志平、董俊、于大全教授的悉心指导，以及李澄、罗正钱教授、柔性电子（未来技术）研究院谢国华教授的帮助，由国家重点研发计划信息光子技术重点专项（2021YFB2800500）、国家自然科学基金（61875170）、福建省自然科学基金（2022J01063）等项目资助。