三掺杂稀土纳米发射体用于芯片级聚合物光波导放大器的双光子3D打印

《ACS Applied Nano Materials》：Triple-Doped Rare-Earth Nanoemitters for Two-Photon 3D Printing of Chip-Scale Polymer Optical Waveguide Amplifiers

3D打印稀土纳米颗粒光放大器研究：采用热解法制备铒镱铈共掺杂核壳结构纳米颗粒，通过表面甲基丙烯酸甲酯修饰实现高浓度均匀分散。实验表明铈离子有效抑制上转换，使980nm泵浦下1.53μm下转换/0.536μm上转换比提升10倍。利用两光子光刻技术制造亚厘米级螺旋光波导，1.5mm长器件实现7.7dB相对增益，泵浦功率低至130mW，适用于微瓦级信号芯片集成。

　　

含有增益介质的聚合物可以实现芯片级光学放大器和激光器的3D打印。在这项研究中，设计、合成并表征了一种可3D打印的树脂，该树脂中含有均匀分散的核壳结构铒-镱-铈共掺杂稀土纳米颗粒（RENPs）。这些核壳结构RENP（NaYF₄:Er³⁺,Yb³⁺,Ce³⁺@NaYF₄）是通过高温热分解方法制备的。通过在RENP表面选择性聚合甲基丙烯酸酯，实现了高浓度RENP在3D打印树脂中的均匀分散，从而防止了纳米颗粒的聚集。研究发现，掺杂Ce³⁺离子有助于促进Er³⁺离子的激发态与Ce³⁺离子之间的非辐射能量转移，显著抑制了上转换过程，使得使用980 nm泵浦光时下转换（1.53 μm）与上转换（0.536 μm）的比率提高了一个数量级。这种树脂被用于双光子光刻3D打印机中，用于制造电信C波段的超短芯片级螺旋光波导放大器。所制造的放大器在1.5 mm长的螺旋波导中表现出7.7 dB的相对增益，且泵浦功率低于130 mW。由于放大器的长度在亚厘米级别，因此可以在低泵浦功率下实现较高的小信号增益，适用于放大微瓦级别的信号，非常适合集成到芯片级设备中。