光子回路具有傳輸速度快，響應(yīng)延遲短，并行運算能力強等優(yōu)勢，能夠在信息處理方面有效地彌補現(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，有機光子學(xué)材料越來越受到人們的重視。化學(xué)所光化學(xué)院重點實驗室的研究人員長期致力于有機納米光子學(xué)材料與器件方面的研究，在有機微納諧振腔自下而上的可控組裝（Acc. Chem. Res. 2010, 43, 409-418；J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 62-65）以及具有特定光子學(xué)功能的器件設(shè)計（Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458; Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 4325-4340.）等方面開展了系統(tǒng)的研究工作。
盡管有機材料展現(xiàn)出獨特的光子學(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)。這是有機光子學(xué)材料走向集成化過程中面臨的一個關(guān)鍵瓶頸問題。最近，化學(xué)所光化學(xué)實驗室與有機固體實驗室以及中國科技大學(xué)的科研人員合作，首次提出并實現(xiàn)了有機“打印光子學(xué)”功能器件和集成回路，成功地借鑒并運用了柔性打印電路的技術(shù)經(jīng)驗，向有機納米光子學(xué)實用化集成邁出了關(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，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（圖1）。更重要的是，有機材料的可加工性，柔韌性，響應(yīng)性為打印光子學(xué)器件帶來更多的機遇。例如，微腔中可以摻雜染料分子，用來實現(xiàn)高光學(xué)增益的微型激光器（圖2）；利用有機分子材料對于外界刺激的響應(yīng)，可以實現(xiàn)光子學(xué)行為的遠程控制。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，從而進一步實現(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)進展》上（Organic printed photonics: from microring lasers to integrated circuits, Science Advances 2015, 1, e1500257）。
圖1 大面積有機打印光子芯片的設(shè)計、制備與結(jié)構(gòu)表征
圖2 基于有機打印光子材料的微納激光與集成器件
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