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化学所实现有机打印光子学集成回路

发布时间:2019-07-14 22:30编辑:化学科学浏览(122)

    光子学器件具有电子学器件无法比拟的高速、高带宽和低能耗等优点,在光信息处理和光子学计算中扮演着非常重要的角色。有机光功能分子由于其高的荧光量子产率,可裁剪的光学性质以及柔性可加工等特点,是构建光子学元器件的优异材料。化学所光化学院重点实验室的科研人员近年来一直致力于低维有机光子学材料与器件方面的研究(Acc. Chem. Res. 2010, 43, 409-418;澳门微尼斯人娱乐,Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8713-8717),围绕集成光子学器件中所需要的微纳光源(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279)、光波导(Adv. Mater., 2011, * 23, 1380-1384)、光子路由器(J. Am. Chem. Soc.* 2012, 134, 2880-2883)、光电检测与传感(Adv. Mater., ** 2012, * 24, 2332-2336;Adv. Mater.,* 2012, 24, OP194-OP199)、光逻辑与波分复用器(Adv. Mater., 2012, 24, 5681-5686;Adv. Mater., 2013, 25, 2784-2788)、光晶体管(Adv. Mater., 2013*, 25*, 2854-2859)等开展了一系列研究工作。相关工作证实了低维有机材料在纳米光子学领域的巨大潜力,为进一步获得复杂功能的光子学元件奠定了基础。

    光子回路具有传输速度快,响应延迟短,并行运算能力强等优势,能够在信息处理方面有效地弥补现今集成电路的不足和局限。近年来,由于其多样的光物理和光化学过程,有机光子学材料越来越受到人们的重视。化学所光化学院重点实验室的研究人员长期致力于有机纳米光子学材料与器件方面的研究,在有机微纳谐振腔自下而上的可控组装(Acc. Chem. Res. 2010, 43, 409-418;J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 62-65)以及具有特定光子学功能的器件设计(Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458; Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 4325-4340.)等方面开展了系统的研究工作。

    微纳体系的结构与组成决定其光子学行为,构筑特定功能的微纳光学元件对于集成光子学有着重要的意义。近期,在科学院先导项目等的支持下,光化学实验室科研人员在特定功能有机光子学器件的可控组装方面取得了新进展。他们基于前期工作基础,总结了有机分子的相互作用、组装行为、聚集结构、以及光子学功能之间的关系,进而以功能为导向,从光功能分子的设计合成出发,通过分子的可控组装,实现了特定功能光子学器件的设计和构筑。(Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 4325-4340,Acc. Chem. Res., 2014, 47, 3448−3458)。

    尽管有机材料展现出独特的光子学行为,然而目前为止仍然缺乏一种可靠、普适的技术,使得人们可以像利用光刻技术加工硅基材料那样,高精度地得到大面积的光学结构。这是有机光子学材料走向集成化过程中面临的一个关键瓶颈问题。最近,化学所光化学实验室与有机固体实验室以及中国科技大学的科研人员合作,首次提出并实现了有机“打印光子学”功能器件和集成回路,成功地借鉴并运用了柔性打印电路的技术经验,向有机纳米光子学实用化集成迈出了关键一步。

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    研究人员利用溶剂液滴的表面张力和溶剂-基底界面的咖啡环效应,在利用打印液滴刻蚀聚合物薄膜形成阵列的同时,以液体边缘为模板形成了完美的回音壁模式谐振腔结构。所得到的微环结构可以有效地将光束缚在其中形成光学谐振,其微腔品质因数高达4×105,可以与现有的硅光子学工艺得到的同类型器件相媲美。更重要的是,有机材料的可加工性,柔韧性,响应性为打印光子学器件带来更多的机遇。例如,微腔中可以掺杂染料分子,用来实现高光学增益的微型激光器;利用有机分子材料对于外界刺激的响应,可以实现光子学行为的远程控制。高品质微腔极大地降低了激光阈值以及光谱线宽,从而提高了器件的整体性能。在同一片基底上,可以设计并打印出尺寸可调的不同光学结构的组合,从而进一步实现光学滤波和慢光存储等关键功能,为微纳光子学集成提供了更丰富的手段和更大的发展空间。相关研究成果发表在*Science*的新子刊《科学进展》上(Organic printed photonics: from microring lasers to integrated circuits, *Science Advances* **2015**, *1*, e1500257)。

    图1 以功能为导向的器件设计和构筑思路

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    在闭合腔体的边界内, 光可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式。在弯曲的圆形或盘状腔体内光波可以不断地在弯曲光滑的腔壁反射而损耗很小,这种效应被称为回音壁模式 (Whispering Gallery Mode, WGM)。回音壁模式光学微腔因为具有非常高的品质因子,因此可用于高质量谐振腔,配合上有机染料的高的光学增益性质,有望实现高性能的微纳激光。最近,研究人员在深入理解有机分子组装特性的基础上,从分子间相互作用对有机分子自组装行为的影响着手,利用表面活性剂微乳液作为模板,诱导有机高分子和染料分子的协同组装,制备了尺寸可控的复合微盘结构。微盘结构可以作为高质量的谐振腔,其Q值达到104量级,远远超过现有的有机腔结构,他们通过控制组装参数实现了对微盘结构和掺杂组分的控制,并得到了模式可控的WGM激光。进一步根据WGM激光应用中的可控输出的要求,通过控制组装过程中的相分离行为,得到了微盘与纳米线的复合结构。利用线、环微腔之间的耦合效应,实现了WGM激光从纳米线端点的可控定向输出。

    图1 大面积有机打印光子芯片的设计、制备与结构表征

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    图2 有机复合微盘结构中的回音壁模式激光

    图2 基于有机打印光子材料的微纳激光与集成器件

    光化学院重点实验室

    光化学院重点实验室

    2015年1月28日

    2015年10月16日

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