上海光机所提出面向集成光子器件应用的3D打印有源玻璃新方案

       近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部，特种玻璃与光纤研究中心研究团队在稀土掺杂有源玻璃增材制造(3D打印)研究中取得新进展。研究团队提出一种分子设计溶胶-凝胶策略，结合数字光处理（DLP）3D打印技术，实现了稀土掺杂有源玻璃的低温制备及复杂三维结构成形，为新一代集成光子器件提供了新的材料与制造方案。相关成果以“Additive manufacturing of active glass via molecular sol-gel design and low-temperature sintering”为题，发表于Additive Manufacturing。


       针对高浓度稀土离子掺杂过程中易发生团簇、导致发光性能下降，以及传统玻璃制备难以实现复杂结构成形等问题，研究团队通过分子级设计光敏溶胶-凝胶墨水，使稀土离子均匀引入玻璃前驱体网络，并在900 ℃烧结温度下制备出透明、非晶态有源玻璃。该方法实现了玻璃成分、光学功能与三维结构的协同调控，并拓展至钕、铒、镱等多种稀土离子掺杂体系。

图1 3D打印稀土掺杂特种玻璃

       在此基础上，团队进一步制备了铒/镱共掺杂玻璃波导。实验结果表明，材料在高浓度铒离子掺杂条件下仍保持有效的能量传递和1530 nm特征发光，荧光寿命达到3.74 ms；在976纳米泵浦下，玻璃波导于1551 nm处实现最高2.57 dB/mm的开关增益，验证了3D打印稀土掺杂有源玻璃实现光信号放大的可行性。该研究将分子尺度材料设计、3D打印与稀土掺杂有源光学玻璃相结合，为复杂三维有源玻璃器件的制备提供了新思路，有望为三维空间集成光子芯片、片上光放大器等器件的发展提供材料与制备基础。

图2 3D打印光波导示意图与开关增益表征

       研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会及中国科学院相关项目的支持。