Active Polymer Photonic Systems for Integrated Organic-Based Light manipulators and Emitters (APPLE)

During the first three months of the project, materials were investigated and work on photonic chip design was initiated. The materials research included the selection of photopolymers and the characterization of third-order nonlinear optical properties of organic dyes. The first organic dye chosen for study was the previously analyzed DMABI, in order to supplement existing data with its properties in the 700–900 nm spectral range. The chip design process involved the development of markers as well as ring resonator and waveguide structures. The synthesis of novel cyanine-type NLO chromophores has commenced using a molecular encapsulation strategy.

In the initial stage of the project, the work aimed at novel material development comprised the synthesis of improved carbene-metal-amide complexes (CMAs) for use as triplet manager host materials in organic solid-state lasing systems. The structure of the designed CMAs featured structural fragments with heavy atoms, thus improving the spin-orbit coupling between singlet and triplet states, in order to enhance the radiative rate of the thermally activated delayed fluorescence (TADF). The work on nonlinear optical materials was aimed at the synthesis of a library of cyanine-type structures, which will later be applied in composite materials with a cationic cage framework. Regarding the material characterization and platform preparation, the primary focus has been on two main activities: measurement of nonlinear optical (NLO) material properties and development of a two-step lithography process required for the fabrication of whispering gallery mode (WGM) resonator structures. The NLO characterization has concentrated on previously reported materials from the LL and DMABI series, with particular emphasis on spectral dispersion measurements to more thoroughly assess their applicability for nonlinear photonic devices. In parallel, significant effort has been devoted to overcoming the diffraction limits of optical lithography in order to enable practical device fabrication. For WGM resonators – key components for frequency comb generation – it is necessary to achieve sub-300 nm gaps between waveguides and ring resonator structures. Given that conventional optical lithography is typically diffraction-limited to around 600 nm resolution, a dedicated two-step lithography process is being developed to reach the required dimensions. Current results demonstrate gap sizes as small as 150 nm. While these results are highly promising, the next phase of the project will focus on improving process robustness and fabrication yield. [1] Lauma Laipniece, Valdis Kampars, Sergey Belyakov, Arturs Bundulis, Andrejs Tokmakovs, Martins Rutkis, Utilization of amorphous phase forming trityl groups and Ar-ArF interactions in synthesis of NLO active azochromophores, Dyes and Pigments, Volume 204, 2022, [2] Arturs Bundulis, Edgars Nitiss, Igors Mihailovs, Janis Busenbergs, Martins Rutkis, Study of Structure–Third-Order Susceptibility Relation of Indandione Derivatives, The Journal of Physical Chemistry C, Volume 120, 2026.

The work on the improvement of the designed carbene-metal-amide complexes (CMAs) continued with the synthesis of novel carbene fragments, which would incorporate sterically bulky substituents to reduce solid-state packing induced photoluminescence quantum yield (PLQY) decrease. When incorporated in CMAs these building blocks successfully elevated PLQY of the neat material films by a factor of two, in comparison to unfunctionalized reference compounds. The materials have been transferred to AP4PIC for integration in organic solid-state lasing systems.
The further development of NLO materials involved the synthesis of two anionic cyanine-type chromophores composed of two TCF acceptor fragments, which are connected by 3 or 5 carbon atoms long polyene bridges. In both cases the positive counteraction was a proton. The following experiments are initiated, where these molecules are interacted with box-type pyridinium derivatives, in order to limit the solid state interactions, which diminish the NLO efficiency of the cyanine chromophores.
Over the last three months, efforts were focused on the fabrication of advanced photonic structures using a two-step lithography process capable of producing feature gaps down to 150 nm. Particular attention was devoted to the development of ring resonator devices, which will serve as the basis for frequency comb generation utilizing organic nonlinear optical materials. The process has been developed for SU-8 based passive ring resonator coupled to wavegudie fabrication.

Projekta pirmajos trīs mēnešos tika pētīti materiāli un uzsākts darbs pie fotonisko mikroshēmu dizaina. Materiālu pētījumi ietvēra fotopolimēru izvēli un organisko krāsvielu trešās kārtas nelineāro optisko īpašību raksturojumu. Pirmā pētījumam izvēlētā organiskā krāsviela bija iepriekš analizētā DMABI, lai papildinātu esošos datus ar tās īpašībām 700–900 nm spektra diapazonā. Mikroshēmas projektēšanas process ietvēra marķieru, kā arī gredzenu rezonatoru un viļņvadu struktūru izstrādi. Ir uzsākta jaunu cianīna tipa NLO hromoforu sintēze, izmantojot molekulārās iekapsulēšanas stratēģiju.

Projekta sākotnējā posmā darbs, kas veltīts jaunu materiālu izstrādei, ietvēra uzlabotu karbēna–metāla–amīda kompleksu (CMA) sintēzi, lai tos izmantotu kā tripletu pārvaldnieku saimniekmateriālus organiskajās cietvielu lāzeru sistēmās. Izstrādāto CMA struktūrās tika iekļauti strukturāli fragmenti ar smagiem atomiem, tādējādi uzlabojot singleta un tripleta stāvokļu spin–orbītu sakarību ar mērķi palielināt termiski aktivētas aizkavētas luminiscences (TADF) radiatīvās pārejas ātrumu. Darbs ar nelineārās optikas materiāliem bija vērsts uz cianīna tipa savienojumu bibliotēkas sintēzi, kurus vēlāk plānots izmantot kompozītmateriālos kopā ar katjonu karkasa struktūrām. Attiecībā uz materiālu raksturošanu un platformas sagatavošanu galvenā uzmanība tika pievērsta divām būtiskām aktivitātēm: nelineārās optikas (NLO) materiālu īpašību mērījumiem un divpakāpju litogrāfijas procesa izstrādei, kas nepieciešams čukstošās galerijas režīma (WGM) rezonatoru struktūru izgatavošanai. NLO raksturošana koncentrējās uz iepriekš ziņotajiem materiāliem no LL un DMABI sērijām, īpašu uzmanību pievēršot spektrālās dispersijas mērījumiem, lai pilnvērtīgāk novērtētu to piemērotību nelineāro fotonisko ierīču vajadzībām. Paralēli būtiski pūliņi tika ieguldīti optiskās litogrāfijas difrakcijas limitu pārvarēšanā, lai nodrošinātu praktisku ierīču izgatavošanu. WGM rezonatoriem — kas ir galvenie komponenti frekvenču ķemmju ģenerācijai — ir nepieciešams panākt mazāk par 300 nm lielus atstarpju platumus starp viļņvadītājiem un gredzenveida rezonatoru struktūrām. Ņemot vērā, ka tradicionālā optiskā litogrāfija parasti ir difrakcijas ierobežota līdz ~600 nm izšķirtspējai, tiek izstrādāts īpašs divpakāpju litogrāfijas process, lai sasniegtu vajadzīgos izmērus. Pašreizējie rezultāti demonstrē atstarpes, kas mazākas par 150 nm. Lai arī šie rezultāti ir ļoti daudzsološi, nākamajā projekta posmā uzmanība tiks pievērsta procesa robustuma un izgatavošanas ienesīguma uzlabošanai. [1] Lauma Laipniece, Valdis Kampars, Sergey Belyakov, Arturs Bundulis, Andrejs Tokmakovs, Martins Rutkis, Utilization of amorphous phase forming trityl groups and Ar-ArF interactions in synthesis of NLO active azochromophores, Dyes and Pigments, 204, 2022. [2] Arturs Bundulis, Edgars Nitiss, Igors Mihailovs, Janis Busenbergs, Martins Rutkis, Study of Structure–Third-Order Susceptibility Relation of Indandione Derivatives, The Journal of Physical Chemistry C, 120, 2026.

Darbs pie izstrādāto karbēna–metāla–amīda kompleksu (CMA) pilnveides tika turpināts, sintezējot jaunus karbēna fragmentus, kuros iekļauti steriski apjomīgi aizvietotāji, lai samazinātu cietās fāzes iepakojuma izraisīto fotoluminiscences kvantu iznākuma (PLQY) samazināšanos. Integrējot šos būvelementus CMA struktūrās, izdevās palielināt tīru materiālu plēvju PLQY aptuveni divas reizes salīdzinājumā ar nefunkcionalizētiem references savienojumiem. Materiāli ir nodoti AP4PIC integrēšanai organisko cietvielu lāzeru sistēmās.

NLO materiālu turpmākā izstrāde ietvēra divu anjonisku ciānīna tipa hromoforu sintēzi, kas sastāv no diviem TCF akceptora fragmentiem, kuri savienoti ar poliénu tiltiņiem, kuru garums ir 3 vai 5 oglekļa atomi. Abos gadījumos pozitīvo pretjonu veidoja protons. Ir uzsākti turpmāki eksperimenti, kuros šīs molekulas tiek kombinētas ar kastveida piridīnija atvasinājumiem, lai ierobežotu mijiedarbības cietajā fāzē, kas samazina ciānīna hromoforu nelineāro optisko (NLO) efektivitāti.

Pēdējo trīs mēnešu laikā galvenā uzmanība tika pievērsta progresīvu fotonisko struktūru izgatavošanai, izmantojot divpakāpju litogrāfijas procesu, kas ļauj iegūt struktūras ar atstarpēm līdz pat 150 nm. Īpaša uzmanība tika veltīta gredzenveida rezonatoru ierīču izstrādei, kas kalpos par pamatu frekvenču ķemmju ģenerēšanai, izmantojot organiskos nelineāri optiskos materiālus. Ir izstrādāts tehnoloģiskais process uz SU-8 bāzētu pasīvu gredzenveida rezonatoru izgatavošanai, kas ir savienoti ar optiskajiem viļņvadiem.