“空间能量局域”策略赋能铒簇合物实现高效LED泵浦光放大
掺铒波导放大器（Erbium-doped waveguide amplifier, EDWA）在C波段（1530–1565 nm）光通信中扮演着关键角色，其1535 nm处的发射峰正好覆盖通信窗口，是实现信号放大的理想选择。然而，传统的单核铒配合物由于Er³⁺离子分布稀疏，导致能量迁移效率低、浓度猝灭严重，难以在短波导长度内实现高增益。而无机纳米粒子虽能实现高浓度掺杂，但其离子分布不可控，易引发上转换发光和能量损耗，限制了其在低功率LED泵浦下的应用。
针对这一挑战，黑龙江大学许辉教授团队与厦门大学张丹教授团队合作，提出了一种“空间能量局域”策略，首次将具有精确结构的铒簇合物—Er₅(DBM)₁₀和Er₉(acac)₁₆—用作EDWA的增益介质。得益于其多核铒核心结构，Er³⁺离子在分子级别实现局部富集，同时由于有机配体的空间位阻效应，簇间距离被有效拉大，从而在抑制浓度猝灭的同时，实现核心内部的高效能量迁移与激发态共享。
图1 簇合物及对应单核配合物的单晶结构与Er³⁺密度。
单晶结构分析表明，Er₉(acac)₁₆中Er³⁺离子间距约为3.5–3.7 Å，远低于能量迁移所需的临界距离（< 4.0 Å）。与单核配合物Er(acac)₃相比，Er₉(acac)₁₆在PMMA薄膜中的Er³⁺密度提升了86%，而其PL强度在377 nm LED激发下显著增强，寿命也更长，充分体现了多核结构带来的“共发光效应”。
图2 铒簇合物的光物理性质。
在倏逝场波导结构中，掺杂Er₉(acac)₁₆的EDWA在1535 nm处实现了最高7.5 dB/cm的相对增益，是单核Er(acac)₃的两倍；在1550 nm处也达到了6.9 dB/cm的优异性能。此外，其输出光强度提升了464%，远超单核配合物器件的表现。单离子贡献分析进一步表明，簇合物中的能量迁移不仅提高了激发效率，更显著提升了激发态能量的利用率。
图3 基于铒簇合物EDWAs的光放大性能。
这一研究首次展示了分子级铒簇在光放大器件中的巨大潜力，证明了“空间能量局域”策略在平衡高浓度掺杂与猝灭抑制方面的有效性，为实现高性能、低功耗、可集成的光通信放大器提供了全新的材料平台。
相关成果近期发表于Science China Chemistry，黑龙江大学化学化工与材料学院满意博士和厦门大学电子科学与技术学院马首道为论文共同第一作者，黑龙江大学韩春苗教授和许辉教授、厦门大学张丹教授为共同通讯作者。
Energy Confinement in Erbium Clusters Enables High Gains from LED-Pumped Waveguides
Yi Man†, Shoudao Ma†, Chunmiao Han*, Zhiyuan Zhao, Dan Zhang* & Hui Xu*
Science China Chemistry, 2026
DOI: 10.1007/s11426-025-3266-2