中外联合解决了硅基光子学中激光器和波导精区域

近日，南京大学化学化工学院、配位化学国家重点实验室郑佑轩教授课题组和英国W.P. Gillin教授、P. B. Wyatt博士、西班牙I. Hernandez博士等在长寿命、高效率铒配合物的合成及在光放大方面的应用研究取得突破进展。

现代远程电子通讯以世界范围的光缆为基础，由于数据损失，需要通过掺铒的光纤放大器(EDFAs)来弥补光纤信号的衰减。但由于铒离子自身的吸收非常弱，EDFAs 需要沿着10- 0米长的掺铒光纤轴向放置分离的泵浦来实现粒子数反转，从而实现光增益。这既需要高能泵浦器，又不能将掺铒激光器的不同部件集成到同一基底上，这使得掺铒激光器笨重而昂贵。虽然敏化铒发光的研究工作已经进行多年，但一直未能制备出集合多种性能的适用材料。因为在大多数有机物中会出现CH或OH振动能量损失，铒离子的发射会被淬灭，从而使量子效率非常低。

郑佑轩等通过把高量子效率的全氟化铒配合物掺杂在全氟化的主体发色团分子中，实现了高吸收效率的主体发色团分子对铒离子的有效耦合，就消除了铒离子发射淬灭的问题(图1)。同时由于高原子序数的氟原子会增加自旋轨道相互作用，从而导致系间穿越(ISC)效应增加，这会增加因自旋而能与铒离子高效耦合的三线态。由于主体发色团中三线态具有很长的寿命，极大增强了敏化作用，使得敏化作用不仅来源于与铒离子最近的主体发色团分子。用这种方法，实现了在有机主体材料中的铒离子7%的量子效率（寿命为0.86 ms），敏化因子达到104数量级(其他体系的敏化因子只有大约为5)，这在有机体系中是一个新的纪录。

图1 全氟化铒配合物和主体发色团分子的吸收和发射光谱

进一步，在硅基底上成功制备了高光增益波导器件。使用非常低功率（ mW，市售即可）蓝光LED作为泵浦光源，即可实现铒离子粒子数反转（图2)，达到至少15 dB/cm以上的光增益。本方法优点是垂直泵浦结构不仅可以以廉价的LED取代了昂贵的激光器，而且不再用轴向泵浦，这就解决了目前硅基光子学中需要将激光器和波导精确地集成到一起这一重要技术难题。

图2 波导增益装置图和功率为 mW的405 nm LED泵浦源所获得的波导信号增益图

该研究成果表明，LED可能被集成到器件中的OLED所取代，甚至可以直接通过有机层的电子激发作为泵浦源，从而使非常简单的激光器集成到硅基衬底以及芯片间的光通讯成为可能。