光子回路具有传输速度快，响应延迟短，并行运算能力强等优势，能够在信息处理方面有效地弥补现今集成电路的不足和局限。近年来，由于其多样的光物理和光化学过程，有机光子学材料越来越受到人们的重视。化学所光化学院重点实验室的研究人员长期致力于有机纳米光子学材料与器件方面的研究，在有机微纳谐振腔自下而上的可控组装（Acc. Chem. Res. 2010, 43, 409-418；J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 62-65）以及具有特定光子学功能的器件设计（Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458; Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 4325-4340.）等方面开展了系统的研究工作。 

　　尽管有机材料展现出独特的光子学行为，然而目前为止仍然缺乏一种可靠、普适的技术，使得人们可以像利用光刻技术加工硅基材料那样，高精度地得到大面积的光学结构。这是有机光子学材料走向集成化过程中面临的一个关键瓶颈问题。最近，化学所光化学实验室与有机固体实验室以及中国科技大学的科研人员合作，首次提出并实现了有机“打印光子学”功能器件和集成回路，成功地借鉴并运用了柔性打印电路的技术经验，向有机纳米光子学实用化集成迈出了关键一步。 

　　研究人员利用溶剂液滴的表面张力和溶剂-基底界面的咖啡环效应，在利用打印液滴刻蚀聚合物薄膜形成阵列的同时，以液体边缘为模板形成了完美的回音壁模式谐振腔结构。所得到的微环结构可以有效地将光束缚在其中形成光学谐振，其微腔品质因数高达4×10⁵，可以与现有的硅光子学工艺得到的同类型器件相媲美（图1）。更重要的是，有机材料的可加工性，柔韧性，响应性为打印光子学器件带来更多的机遇。例如，微腔中可以掺杂染料分子，用来实现高光学增益的微型激光器（图2）；利用有机分子材料对于外界刺激的响应，可以实现光子学行为的远程控制。高品质微腔极大地降低了激光阈值以及光谱线宽，从而提高了器件的整体性能。在同一片基底上，可以设计并打印出尺寸可调的不同光学结构的组合，从而进一步实现光学滤波和慢光存储等关键功能，为微纳光子学集成提供了更丰富的手段和更大的发展空间。相关研究成果发表在Science的新子刊《科学进展》上（Organic printed photonics: from microring lasers to integrated circuits, Science Advances 2015, 1, e1500257）。 

　　图1  大面积有机打印光子芯片的设计、制备与结构表征 

　　图2  基于有机打印光子材料的微纳激光与集成器件 

　　光化学院重点实验室 

　　2015年10月16日