有機(jī)打印光子學(xué)集成回路

光子回路具有傳輸速度快、響應(yīng)延遲短、并行運(yùn)算能力強(qiáng)等優(yōu)勢，能夠在信息處理方面有效地彌補(bǔ)現(xiàn)今集成電路的不足和局限。近年來，由于其多樣的光物理和光化學(xué)過程，有機(jī)光子學(xué)材料越來越受到人們的重視。中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員長期致力于有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件方面的研究，在有機(jī)微納諧振腔自下而上的可控組裝以及具有特定光子學(xué)功能的器件設(shè)計(jì)等方面開展了系統(tǒng)的研究工作。

盡管有機(jī)材料展現(xiàn)出獨(dú)特的光子學(xué)行為，然而目前為止仍然缺乏一種可靠、普適的技術(shù)，使得人們可以像利用光刻技術(shù)加工硅基材料那樣，高精度地得到大面積的光學(xué)結(jié)構(gòu)。這是有機(jī)光子學(xué)材料走向集成化過程中面臨的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸問題。最近，化學(xué)所光化學(xué)實(shí)驗(yàn)室與有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員合作，首次提出并實(shí)現(xiàn)了有機(jī)“打印光子學(xué)”功能器件和集成回路，成功地借鑒并運(yùn)用了柔性打印電路的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，向有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)用化集成邁出了關(guān)鍵一步。

研究人員利用溶劑液滴的表面張力和溶劑-基底界面的咖啡環(huán)效應(yīng)，在利用打印液滴刻蝕聚合物薄膜形成陣列的同時(shí)，以液體邊緣為模板形成了完美的回音壁模式諧振腔結(jié)構(gòu)。所得到的微環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效地將光束縛在其中形成光學(xué)諧振，其微腔品質(zhì)因數(shù)高達(dá)4×105，可以與現(xiàn)有的硅光子學(xué)工藝得到的同類型器件相媲美。更重要的是，有機(jī)材料的可加工性、柔韌性、響應(yīng)性為打印光子學(xué)器件帶來更多的機(jī)遇。例如，微腔中可以摻雜染料分子，用來實(shí)現(xiàn)高光學(xué)增益的微型激光器;利用有機(jī)分子材料對于外界刺激的響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)光子學(xué)行為的遠(yuǎn)程控制。高品質(zhì)微腔極大地降低了激光閾值以及光譜線寬，從而提高了器件的整體性能。在同一片基底上，可以設(shè)計(jì)并打印出尺寸可調(diào)的不同光學(xué)結(jié)構(gòu)的組合，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波和慢光存儲等關(guān)鍵功能，為微納光子學(xué)集成提供了更豐富的手段和更大的發(fā)展空間。相關(guān)研究成果發(fā)表在Science的新子刊《科學(xué)進(jìn)展》上(Organic printed photonics:from microring lasers to integrated circuits，Science Advances 2015，1，e1500257)。