前沿 | 片上三维光子集成有源荧光聚合物光波导显示器件

研究背景

      三维片上光子集成芯片具有灵活的空间可扩展性和多样化的功能集成选择性，在高度集成的小尺寸光学显示模块中发挥着关键作用。同时，片上光子集成模块可以在同一个光子平台上实现光信号产生、处理、调制和检测等各个关键功能的高度兼容。三维多层堆栈式光波导集成技术通过缩减光子芯片的平面所需面积，为多层光学显示器件提供更充足的空间。与传统无机半导体材料（如硅、InP和GaAs）相比，聚合物光波导器件可以采用旋涂工艺制备片上多层结构，并且聚合物波导具有较高的柔韧性和可塑性，被广泛应用于OLED光源和投影显示等设备中，在光子集成芯片、光显示和光加密通信等领域具有广阔的应用前景。

论文导读

      近日，吉林大学电子科学与工程学院张大明教授团队与张彤教授团队合作，提出了基于有源荧光聚合物波导微盘的三维光子集成片上光显示器件，将具有高荧光量子产率的有机材料掺杂到环氧交联SU-8光刻胶中作为波导增益介质，采用紫外直写工艺技术，成功制备了具有增益的双层微盘器件。研究了基于单层微盘谐振腔的片上垂直与水平光发射器件的性能，并在此基础上提出了一种具有增益的双层微盘结构，可以提供垂直于芯片发射的白光信号光源。采用光纤垂直耦合的方式测得白光光源的平均增益系数为112 dB/W，在脉冲泵浦光的调制下，片上光源的上升和下降响应时间分别为60和80 μs。相关工作以“On?chip optical sources of 3D photonic integration based on active fluorescent polymer waveguide microdisks for light display application”为题于2023年3月24日发表在 PhotoniX 上。

主要研究内容

      团队首次提出基于有源荧光聚合物的片上微盘三维集成光子信息发射器件，可以实现同步光显示和通信的功能。将两种荧光齐聚物（TCBzC和TCNzC）分别掺杂到环氧SU-8聚合物光刻胶中形成波导增益介质，并使用自主合成的P（MMA-co-GMA）作为多层波导的包层。优化设计了片上光泵浦型有源微盘光波导结构，并采用紫外直写工艺制备了波导发光器件。首先研究了基于单层微盘谐振器的片上水平与垂直方向的发光和增益性质，并提出了一种具有增益的双层微盘波导器件结构，在405 nm波长泵浦光的激励下可以实现垂直于芯片方向的白光发射功能。底层微盘由TCBzC/SU-8制备，利用405 nm波长泵浦光激励其产生532 nm波长绿光作为上层TCNzC/SU-8波导的泵浦光，从而产生垂直发射的橙光。受激的混合光源通过泵浦能量传递机制，进一步形成垂直发射的白光光源。针对双层波导微盘器件在连续泵浦光激励下的平均增益和脉冲调制泵浦光激励的频率响应特性进行测试分析，在405 nm波长泵浦光的激发下，当泵浦光功率增加到100 mW时，平均增益可达5.6 dB。利用光纤垂直耦合的方式测得白光光源的平均增益系数为112 dB/W，水平耦合下测得绿光光源的平均增益系数为137 dB/W。同时，在频率为1 kHz的脉冲泵浦光调制下，垂直发射白光的上升和下降响应时间分别为60和80 μs。

技术突破

      对于单层掺杂的光波导器件分别选取532和405 nm波长作为泵浦光测量TCNzC/SU-8波导的平均增益。如图1a和b所示，给出了532 nm波长泵浦光耦合进入TCNzC/SU-8波导的实际测试图像。随着泵浦光功率的升高，可以测得橙光的CIE色度图坐标从（0.4754，0.3892）逐渐移动到（0.5149，0.3853）。如图1c所示，在相同的泵浦光功率下，在532 nm泵浦光的激发下波导的平均增益比405 nm波长泵浦的平均增益增加了~7 dB。根据Lambert-Beer定律计算发现，TCNzC在532 nm波长处的吸收系数是405 nm波长处的20倍。虽然405 nm波长的光子能量比532 nm波长的光子能量高，但TCNzC在532 nm处的吸收系数要更高。因此，我们提出了一种功能型双层波导微盘器件的设计，可以同步实现三维光子集成通信和显示应用。

      基于上述性质，提出了一种用于光显示的片上三维集成增益型波导微盘器件的结构，其结构如图2所示。底部的微盘谐振由TCBzC/SU-8光波导材料进行制备，选择405 nm波长泵浦光进行激励。利用底部微盘垂直向上发射的绿色光源作为下一级泵浦光，在水平方向上从Add信道和Drop信道激发出的光源作为器件内部的信号光。上层设计了基于有源TCNzC/SU-8材料的顶部微盘结构，可以通过底部405 nm泵浦光产生的垂直发射的532 nm光源作为上层橙色发射的泵浦光源。受激的混合光源通过能量传递机制，通过双层微盘结构进一步形成垂直发射白光光源。

观点评述

      本文实现基于荧光聚合物TCBzC/SU-8和TCNzC/SU-8波导材料的三维光子信息产生型波导器件。当405 nm泵浦光的光功率从40 mW增加到100 mW时，基于单层微盘的三维集成光源在水平和垂直方向输出的光谱强度逐渐增强，并分别产生峰值波长为532和587 nm的发射光。在水平方向光源发射的平均增益系数分别为137和117 dB/W，在垂直方向上上光源发射的平均增益系数为66和31 dB/W。对双层荧光波导微盘器件进行制备和测试，在泵浦光激发下产生了由绿光和橙光的混合光源形成白光发射，当泵浦光功率增加到100 mW时，平均增益可达5.6 dB。在重复实验中，波导器件的水平和垂直输出光强仍然具有较高的荧光发射强度，且没有明显衰减，证明研制的器件具有高稳定性。这种双层微盘型光波导芯片在实现三维集成光信息发射功能上具有重要的应用价值。

主要作者

       王春雪，吉林大学电子科学与工程学院2020级博士生，导师为张大明教授，研究方向为基于功能聚合物光波导材料的片上光子器件研究。主要涉及可见、近红外波段的光通信用集成波导器件的设计与制备，包括低损耗聚合物热光开关，光波导传感器等。有关研究成果以第一作者发表在PhotoniX、ACS Appl. Mater. Interfaces、Opt. Lett.、Opt. Express.、Appl. Opt. 等国际学术期刊。

      陈长鸣，博士生导师，吉林大学电子科学与工程学院副教授。主要研究领域为面向光通信、光显示、光计算及光加密编码等应用方向的光波导功能集成光子芯片。2019年4月-2020年7月作为国家公派访问学者在美国西北大学电气工程与计算机科学系进修，并同时在美国Argonne国家实验室开展等离子体纳米激光器及其片上光子集成芯片的具体研制工作。到目前为止，在光波导集成光子芯片研究领域发表SCI学术论文50余篇，其中多篇文章被选为期刊封面工作。作为项目负责人先后主持了国家自然科学基金，吉林省科技发展计划项目及横向研发课题等，并作为主要参加人参与完成国家“973”项目，国家重点研发计划，教育部军工装备预研项目和吉林省科技支撑计划重点项目等。

      费腾，吉林大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事有机光电功能材料（有机发光材料、聚合物固态离子导体等）与器件（光电、传感）的开发、应用方面的研究工作。目前在Adv. Funct. Mater.、IEEE Electron. Dev. Lett.、ACS Sens、Sens. Actuators B等学术期刊上发表第一/通讯作者论文62篇，SCI他引4500余次，H-index为40。作为项目负责人主持国家级和省部级科技项目11项，授权国家发明专利12项。曾获得吉林省自然科学一等奖1项（第二），吉林省自然科学学术成果一等奖1项（第一）。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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