晶体电光调制实验仪

p　　据最新一期《纳米快报》报道，美国研究人员设计并制造出了目前世界上最小的电光调制器，这或许意味着未来数据中心和超级计算机所使用的能源将得到大幅削减。/pp　　电光调制器在光纤网络中起着关键作用。就像晶体管作为电信号的开关一样，电光调制器可用作光信号的开关。光通信使用光，所以调制器用于打开和关闭在光纤中发送二进制信号流的光。/pp　　俄勒冈州立大学电子与计算机学院副教授王小龙在接受科技日报记者采访时称，此项技术的创新点是在光子晶体的微腔里集成了透明氧化物—硅基MOS(金属氧化物半导体)结构。微腔调制器可以把光场压缩到很小的范围，通过载流子富集形成很强的电光调制效应，从而在很小的区间内实现很大的电光调制。/pp　　王小龙表示，新研制的电光调制器可极大降低光互联器件的功耗。目前全球数据中心和超级计算机所使用的能源占据了全球电力使用量的4%—5%，数据中心的大部分功耗主要由互联产生，通过光取代电来降低系统功耗是今后的研究方向。但光互联研究的一个瓶颈在于电光转换，电光转换同样需要消耗大量能源。/pp　　此项设计结合了材料和器件的创新，增强电子和光子之间的相互作用，从而使研究人员能够创建出一个更小的电光调制器。新调制器相比主流硅基微环电光调制器在尺寸上缩小了10倍，仅为一个细菌大小(8微米× 0.6微米)，有源区更是缩小到了0.06立方微米(仅仅是波长立方尺寸的2%)，在理论上可将电光转换的能耗降低2—3个数量级。/pp/p

近年来，人们在居住、工作、休闲和交通等各种不同场景的多样化业务需求推动着新一轮的光子革命。其中，以5G无线通讯为主，对于信息高速传输的需求已经渗透到大数据、机器学习、远程医疗及自动驾驶等领域，使信息突破时空限制进行智能互联。而光子作为载体的信息处理传输材料可以很好的解决传输速率慢的问题，因此制备出高速、低耗能和易于工业化生产的电光材料，从而实现高速率的数据中心光互连，成为学术界和工业界亟待解决的关键问题。在传统的商业化电光材料的研究中，主要是以无机材料铌酸锂作为代表。然而传统铌酸锂材料所制成的电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈，电光系数低，晶体生长、加工困难、体积庞大且与CMOS工艺不兼容等。与无机材料和电子为载体的微电子材料相比，光子为载体的二阶非线性有机电光材料具有电光系数高、光学损伤阈值高、响应速度快、制备过程更易于生产，具有良好的热稳定性、成本低以及选择范围广等优点，并能易与半导体微电子器件实现集成，故而有很大的应用前景。然而有机非线性光学材料运用到商业化的电光调制器等领域也面临着技术瓶颈（难以满足Telecordia GR-468-CORE standards 标准），如何获得兼具大的电光系数（r33值）、光热稳定性、极化取向稳定性的有机电光发色团仍然是行业的难点。1. 高性能交联型有机电光材料的研究针对有机电光材料的研究难点，王家海教授团队首次提出了二元交联材料的基解决方案：将可以交联的蒽和丙烯酸酯基团修饰到发色团QLD1-QLD4的电子给体和电子桥上，发色团在电场的作用下发色极化取向，温度进一步升高，交联反应发生，以网状聚合物的形式固定住已经取向的发色团分子，光热稳定性大幅提升。此外，由于没有小分子/聚合物交联剂的存在，发色团含量高达100wt%,电光系数大幅提升。交联后，QLD1/QLD2和QLD2/QLD4薄膜的电光活性非常高，r33的最大值分别为327 pm/V和373 pm/V， 这是目前文献报告的最高值。经Diels-Alder反应后，其电光薄膜的玻璃化转变温度从~90°C增加至185°C，这高于任何其他纯发色团膜。在85℃退火后，99.63%的r33初始值可保持500 h以上，这些材料具有超高的电光活性和长期长期极化取向稳定性，为有机电光材料的器件化和商业化提供了可能。图 1 电光材料QLD1-QLD4的分子结构该成果发表在化学顶级刊物 Chemical Science, 2022, 13, 13393-13402文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc05231h图 2 发色团数密度与极化效率的关系图；b)长期稳定性测试结果。2. 基于新型双给体的有机非线性光学材料的研究 研发了一种基于（N-乙基-N-羟乙基）苯胺衍生物的可修饰性双给体，并首次将其应用于非线性光学材料。在发色团的给体 和桥上分别引入三个隔离基团，用于减少分子之间的静电相互作 用，从而提高极化效率。基于此，我们开发了一系列非线性光学 发色团 BLD1-4，它们具有相同的双（N-乙基-N-羟乙基）苯胺基 给体、TCF 或 CF3–TCF 受体，和异佛尔酮衍生桥。密度泛函理 论计算表明，这四个发色团由于给体具有强大的给电子能力，比 传统的非线性光学发色团的一阶超极化率更大。纯发色团 BLD1– BLD4 的极化膜由于发色团的大空间位阻和大的一阶超极化率从而展现出非常高的极化效率。含有发色团 BLD3 的纯发色团膜在1310nm 处获得了超高的 r33 值（351pm/V）和极化效率（3.50±0.10 nm2 V-2）。大的电光系数使这些新的给体为有机非线性光学材料提 供了很有价值的参考。图 3 发色团 BLD1-4 的结构图 4 发色团 BLD1-4 的极化效率曲线该成果发表在材料刊物 Materials Chemistry Frontiers, 2022, 6,1079-1090.文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/qm/d1qm01577j3. 树枝状有机电光材料的研究图 5 发色团 C1-C3 的结构 开发出具有大电光系数和高稳定性的电光材料，一直是这个领域最具挑战性的话题。一系列基于相同的双(N,N-二乙基)苯胺给体、三亚乙基二氢呋喃受体和异佛尔酮衍生桥的发色团 C1-C3 被合成开发出来。与含有单发色团的树枝状材料 C1 进行比较，我们合成了双枝发色团分子 C2 和三枝发色团分子 C3。这是第一次将双(N,N-二乙基) 苯胺基给体用于 CLD 型发色团和多发色团系统。与 C1 发色团相比， C2 和 C3 多发色团具有更高的电光性系数和玻璃化转变温度。纯发色团 C2 的薄膜上在 1310 nm 处取得了大的 r33 系数 (180 pm/V)和极化效率(1.94±0.08 nm2 V-2)，已经实现在。此外,树枝状分子 C2 的玻璃化转变温度高达 122℃。该材料具有良好的稳定性和大的电光系数，具有良好的应用前景。图 6 发色团 C1-C3 的 DSC 曲线该成果发表在材料刊物 Materials Chemistry Frontiers, 2021, 5, 8341-8351文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/qm/d1qm01337h4. 自组装型有机电光材料的研究我们已经开发了一系列自组装的树枝状电光材料。通过在发色团的给体和桥部分引入芳香树枝状化合物（HD）、三氟苄基树枝状化合物、五氟苯基树枝状化合物和蒽环，合成了四种交联型树枝状化合物H1、H2、H3 和 HLD1。此外，还合成了含有三枝化三氟苄基的多发色团 H4。基于 HD-PFD/HD-AH/TFD-TFD 的π-π相互作用使得这些分子可以进行超分子自组装的，以最大限度地减少发色团的偶极-偶极相互作用，并在高负载密度下最大限度地提高发色团的极化效率。 对于分别含有发色团 1:1 H1:H3、1:2 H3:HLD1 和 H4 的纯电光膜，已经实现了高 r33 值（328、317 和 279 pm/V）。此外，发色团的长期取向稳定性也得到了改善。在室温下 1000 小时后，自组装型电光薄膜的初始电光系数仍然保持在 95%以上。图 7 发色团 H1-H4 以及 HLD1 的结构该成果发表在材料刊物 Dyes and Pigments, 2022, 202, 110283.文章链接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143720822002054图 8 发色团 H1-H4 以及 HLD1 的极化效率与分子数密度的关系图团队负责人简介王家海，广州大学化学化工学院教授、研究生和博士后导师，2008年5月美国University of Florida化学系毕业，师从Charles R. Martin；2008年5月至2009年1月，美国约翰霍普金斯大学化学生物工程系博士后，从事微纳米器件加工课题，致力于智能器件的设计及其应用性能的探讨；2009年1月至2014年8月，分别在中科院苏州纳米所和长春应用化学研究所任副研究员，从事体外诊断纳米孔检测相关的技术开发。2014年10月加入山东大学，任研究员，从事氢能源催化剂材料的开发。2017年至今加入广州大学，百人计划教授。入选中国科学院首批促进会会员，广州市高层次青年后备青年人才，全球顶尖十万科学家之一。目前团队研究方向包括能源催化材料、锂电池、生物化学传感器、纳米孔单分子计数器和5G通讯。代表性成果发表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters 等国际著名期刊上。

近日，中科院合肥研究院强磁场中心盛志高研究团队依托稳态强磁场实验装置成功研发了一种主动智能化的太赫兹电光调制器。相关研究成果发表在国际期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 上。虽然太赫兹技术具有优越的波谱特性和广泛的应用前景，但其工程应用还严重受制于太赫兹材料与太赫兹元器件的开发。其中，围绕智能化场景应用，采用外场对太赫兹波进行主动、智能化的控制是这一领域的重要研究方向。瞄准太赫兹核心元器件这一前沿研究方向，强磁场中心磁光团队继2018年发明一种基于二维材料石墨烯的太赫兹应力调制器[Adv. Optical Mater. 6, 1700877(2018)]、2020年发明一种基于强关联氧化物的太赫兹宽带光控调制器[ACS Appl. Mater. Inter. 12, 48811(2020)]、2021年发明一种基于声子的新型单频磁控太赫兹源[Advanced Science 9, 2103229(2021)]之后，选择关联电子氧化物二氧化钒薄膜作为功能层，采用多层结构设计和电控方法，实现了太赫兹透射、反射和吸收多功能主动调制（图a）。研究结果表明，除了透射率和吸收率，反射率和反射相位也可被电场主动调控，其中反射率调制深度可以达到99.9%、反射相位可达~180o调制（图b）。更为有趣的是，为了实现智能化的太赫兹电控，研究人员设计了一种具有新型“太赫兹-电-太赫兹”的反馈回路的器件（图c）。不管起始条件和外界环境如何变化，该智能器件可以在30秒左右自动达到太赫兹的设定（预期）调制值。（a）基于VO2的电光调制器示意图（b）透射率、反射率、吸收率和反射相位随外加电流变化（c）智能化控制原理图这一基于关联电子材料的主动、智能化太赫兹电光调制器的研发为太赫兹智能化控制的实现提供了新的思路。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、强磁场安徽省实验室方向基金的支持。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04736