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。光波导放大器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，激光器泵浦源容易造成波导的热损伤、商用化成本也高、在硅光芯片中无法灵活放置，且器件的放大波长单一，这些问题使得稀土掺杂光波导放大器的规模化应用受限。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。
厦门大学张丹教授、黑龙江大学许辉教授领导的科研团队以DBTTA为阴离子配体，以含有二苯基膦氧基团的DBFDPO、FDPO为中性配体，构建了两种钕配合物：Nd(DBTTA)3(DBFDPO)、Nd(DBTTA)3(FDPO)，并将其分别与热激发延迟荧光分子（Thermally activated delayed fluorescence, TADF）AQ(PhDPA)2共掺，通过有机配体与稀土Nd3+离子的分子内能量传递、以及配体与AQ(PhDPA)2分子间的能量转移机制，实现了Nd3+离子与AQ(PhDPA)2分子的同步高效发光；同时，设计并制备了适合材料的倏逝波结合铝反射镜的硅基聚合物光波导，仅靠一个低功率蓝紫光LED泵浦，在截面尺寸为4 × 8 μm 2的波导器件上，实现了637 nm可见光（6.1dB/cm）和1067 nm近红外光（3.5 dB/cm）的光增益。
该项研究，将分子能量传递理论与LED泵浦技术相结合，首次实现了低功率泵浦下的双波长放大，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，颇有“一举两全”之妙！而且，钕配合物与TADF分子AQ(PhDPA)2共掺的有源聚合物材料，可以方便地旋涂在氮化硅、硅、玻璃等不同类型的光子平台上来实现光损耗的补偿，具有普适兼容性，这项研究对于推动聚合物光波导放大器在硅光互联与集成的产业化发展开辟了新方向。
图1. 室温下材料吸收谱。 a. Nd(DBTTA)3(FDPO)粉末、Nd(DBTTA)3(FDPO)掺杂PMMA薄膜。b. Nd(DBTTA)3(DBFDPO) 粉末、Nd(DBTTA)3(DBFDPO)掺杂PMMA薄膜。c. NdCl3·6H2O粉末、NdCl3·6H2O掺杂PMMA薄膜作对比。d. AQ(PhDPA)2掺杂PMMA 薄膜、AQ(PhDPA)2与两种NdⅢ 配合物分别共掺PMMA薄膜。
图2. 室温下材料的发射谱。a. 在75 mW 405 nm LED激发下，NdⅢ 配合物、AQ(PhDPA)2、以及AQ(PhDPA)2与NdⅢ 配合物共掺（1:2）材料的发射谱。 b和 c. 不同掺杂比例下AQ(PhDPA)2与NdⅢ 配合物共掺的发射谱（75 mW 405 nm LED激发）。d. 405 和 450 nm LED激发下，AQ(PhDPA)2、AQ(PhDPA)2 与NdⅢ 配合物共掺材料的发射谱对比。
图3. NdⅢ 配合物与AQ(PhDPA)2间的能量传递示意图
图4. 倏逝波波导的扫描电镜图片（SU-8为通道波导）。a. AQ(PhDPA)2与Nd(DBTTA)3(DBFDPO) 共掺PMMA作为上包层，插图为近场光斑。 b. AQ(PhDPA)2与Nd(DBTTA)3(FDPO) 共掺PMMA作为上包层，厚度约为1μm。
图5. 波导器件在1067 nm波长的相对增益性能。a. AQ(PhDPA)2与两种NdⅢ 配合物分别共掺，不同掺杂浓度下波导的相对增益对比。b和c. AQ(PhDPA)2与两种NdⅢ 配合物的掺杂比例均为1:4时，波导中输出信号光强度随405nm LED泵浦功率变化情况。
图6. 450 nm LED激发下，输出信号光强度随泵浦功率变化情况（637 nm）。a. AQ(PhDPA)2与Nd(DBTTA)3(FDPO) 共掺PMMA作为上包层的波导测试结果。b. AQ(PhDPA)2与Nd(DBTTA)3(DBFDPO) 共掺PMMA作为上包层的波导测试结果。内插为不同掺杂比例下的增益测试结果。c和d. 405和450 nm LED激发下的增益结果对比。
图7. 增益在有、无反射镜的倏逝波波导中的对比情况。a. 450 nm LED激发下，637 nm波长处的相对增益对比。b. 405 nm LED激发下，1067 nm波长处的相对增益对比。
该项研究获得了国家重点研发计划（2021YFB2800500）、国家自然科学基金（61875170，61107023），福建省自然科学基金（2022J01063）等项目的资助。
论文信息：
Optical Amplification at 637 and 1067 nm based on Organic Molecule AQ(PhDPA)2 and NdIII Complex Codoped Polymer Waveguides
Yuyang Huang, Yi Man, Guohua Xie, Ce Wang, Baoping Zhang, Hui Xu*, Hongyan Fu, Jiyun Zhu, Ziyue Lv, Leiying Ying, Feng Xia, Dan Zhang*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202201366
论文原文
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202201366
（来源：MaterialsViews）
