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用于光通信的高速响应有机电致发光器件

来源:华拓网
第34卷第1期 发 光 学 报 CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE Vo1.34 No.1 2013年1月 Jan 2013 .文章编号:1000-7032(2013)01 ̄073—05 用于光通信的高速响应有机电致发光器件 林 宏 ,周朋超 ,王菲菲 ,魏 娜 , 童 亮 ,王子兴 ,魏 斌 (1.上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验窒,上海200072; 2.上海大学材料科学与工程学院,上海200072) 摘要:采用直接光强调制的方法,建立了一种新型有机电致发光器件(OLED)的光电信号传输体系,研究了 发光层掺杂、发光面积和预置电压对OLED响应速度的影响。结果发现:与发光层为单独的Alq 的器件相比 较,掺杂rubrene的发光层的荧光寿命较短,响应较快;减小OLED的发光面积能提高OLED的响应速度,并在 0.02 mm 的发光面积上实现了100 Mbit/s的信号传输速度;同时,预置直流电压也能改善OLED的响应速 度。最后,提出将柔性OLED与聚合物波导及有机光电二极管结合,实现了一种全有机的柔性光电子体系。 关键词:有机发光二极管;光通信;光互连;响应速度;光电转换 文献标识码:A DOI:10.3788/fgxb20133401.0073 中图分类号:TN29 Fast・-response Organic Light--emitting Devices for Optical Communication LIN Hong 一,ZHOU Peng—chao ,WANG Fei—fei , WEI Na 一,TONG Liang ,WANG Zi.xing ,WEI Bin (1.Key Laboratory D,Advanced Display and System Applications,Ministry ofEducation, Shanghai University,Shanghai 200072,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China) {Corresponding Author,E—maiZ:bwei@shu.edu.ca Abstract:A new type of optical signal transmission system based on organic light—emitting devices (OLED)has been investigated using direct light intensity modulation method.The results show that the response speed of OLED is significantly related to its emitting layer,light—emitting area and pre‘ set direct current voltage bias.The response speed can be improved by doping rubrene in Alq3 emit— ing lrayer with sho ̄er fluorescence lifetime.And 100 Mbit/s of the transmission speed has been realized from OLED with a 0.02 mm。of light—emitting area.Finally,flexible OLED combined with organic polymeric waveguide and organic photoelectric diode has been proposed to realizing the organic photoelectron system. Key words:optical communications;organic light emitting diode;photoelectron;response speed;photeloectric conversion 收稿日期:2012—08 29:修订日期:2012—11.12 基金项目:国家自然科学基金(61136003);上海市教委重点项目(12ZZ0910)资助项目 作者简介:林宏(1989一),男,四川安岳人,主要从事有机电致发光器件方面的研究。 E—mail:linho ̄ag@shu.edu.1311,Tel:(021)56331844 第1期 林宏,等:用于光通信的高速响应有机电致发光器件 75 件,它们的电压与电致发光强度的上升与衰减时 间的关系曲线如图3所示,可以清晰地看到.掺杂 可以明显减小电致发光(EL)响应的上升及衰减 时间,提高OLED的响应速度。同时,由于有机材 料的载流子迁移率随电压的升高而增大|l ,所以 在图3中也可以观察到随着电压的上升,EL强度 的上升及衰减时间都大大降低.Ohmoi等_fl ]也证 实通过增大电压可以提高OLED的响应速度。但 是,OLED通常存在rol1.off现象,故不适宜采用增 大工作电压的方法提高OLED响应速度。 图3 发光层掺杂对OLED的电致发光强度上升时间 (a)和衰减时间(b)的影响。 Fig.3 Influence of doping emitting layer on(a)rise and (b)decay times of EL intensity of OLED 此外,Kajii等[H]和Fukuda等[ ]还研究了 Alq 的荧光寿命,得到掺杂rubrene(0.5%)与非 掺杂Alq 薄膜的荧光寿命分别约为10 ns和16 ns。荧光寿命越短,荧光衰减时间越短,可见在该 器件结构中通过掺杂rubrene的方法可有效提高 OLED的响应速度。 3.2发光面积对OLED响应速度的影响 OLED在真空蒸镀过程中,可以通过改变电 极的大小来调整有效的发光面积,为了观察不同 发光面积对响应速度的影响,制备了发光面积为 0.2 mm 和1.0 mill 的2组器件。 f/LLs 图4不同发光面积对OLED响应速度的影响。(a)信 号重复频率与相对灵敏度问的关系;(b)1 MHz 调制下信号灵敏度随时间的变化。 Fig.4 Effect of emitting area on the response speed of OLED.(a)Repetition rate dependence of relative sensitivity.(b)Relationship between the time and signal sensitivity with modulate frequency of 1 MHz. 由图4(a)可以看出,在相同重复频率条件 下,发光面积较小的OLED其信号灵敏度明显较 高。而在1 MHz调制信号作用下,0.2 mnl 的 OLED信号灵敏度也较好,上升时间和衰减时间 均小于1.0 miI1 的OLED,如图4(b)所示。 由于OLED器件很薄(通常不足200 nm), 导致发光区域两电极问的有机层存在较大电容。 Wei等l1 发现,电容会造成OLED在脉冲电压下 形成较长的衰减时间,降低OLED响应速度。减 小OLED的发光面积.主要是为了降低电容的影 响。为验证发光面积对OLED响应速度的影响, 我们制备了发光面积为0.02 mm 的器件,对比 以上3组不同发光面积器件的信号传输情况,如 图5所示。图中下方为输人波形,上方为经过 OLED之后的信号波形。 从图5中可以看到,在发光面积为0.02 inn 的OLED上得到了100 Mbit/s的信号传输速度, 但是波形失真较为严重,需要进一步优化和验证 以得到有效传输。此外,OLED用作电光转换光 76 发 光 图5 不同发光面积条件下OLED的信号传输情况。 (a)1.0 mm ;(b)0.2 mm ;(c)0.02 mm 。 Fig.5 Signal transmission of OLED with different emitting area.(a)1.0 IBIU2.(b)0.2 nlin2.(c)0.02 mm2. 源的优势在于其可以制作大面积器件,降低与光 纤耦合时的精度要求从而节约成本,所以不能完 全依赖于通过减小发光面积的方法来提高其响应 速度。 3.3预置电压对OLED晌应速度的影响 OLED工作时要克服一定的势垒高度才能将 电子由分子的HOMO能级激发到LUMO能级,即 需要一定电压才会起亮。如图6(a)所示,预置6 V直流电压时的OLED的亮度大约为600 cd/m , 调制脉冲信号施加时,OLED可迅速响应并产生 调制光脉冲。如图6(b)所示,在1 MHz脉冲信号 调制下,预置6 V电压的OLED发光强度的上升 时间明显少于不加偏压的情况。因此,在实际利 学 报 第34卷 用OLED作为光通信系统中电光转换器件时,预 置一定的直流电压有利于提高OLED的响应 速度。 Applied vohage/V 图6预置偏压对OLED响应速度的影响。(a)电压亮 度关系;(b)不同预置电压下发光强度随时间的 变化。 Fig.6 Effect of bias voltage on the response speed of OLED.(a)Voltage dependence of luminance. (b)Relationship between the time and emission in— tensity under different bias voltage. 3.4柔性集成光电子通信系统 集成光电子结合了光学和微电子学,在光通 信等方面显示出电子学无法比拟的优势。而 OLED能直接在PET等柔性基板上制备,利用该 图7柔性集成光电子系统示意图 Fig.7 Schematic of integrated optical—electronic conversion system on flexible substrate 第1期 林宏.等:用于光通信的高速响应有机电致发光器件 特性可直接将OLED与聚合物波导以及有机光电二 极管相连,实现全有机的光互连.若同时与微电子器 件集成在同一柔性的印刷电路板上.则可构成柔性 的复合光电子集成体系 ,如图7所示。此外,基于 有机光折变聚合物的空间光孤子近年来也引起了研 4 结 论 以OLED作为光通信系统的电光转换光源, 分别在1.0,0.2,0.02 inn 的有效发光面积上实 现了20,50,100 Mbit/s的信号传输速度。讨论了 OLED发光层掺杂、有效发光面积和预置电压对 OLED响应速度的影响。结果发现,采用掺杂 rubrene的Alq 发光层、减小发光面积和预置电压 究者的广泛关注,若将光孤子传输信号几乎无损的 特点运用在集成光电子系统中.信号传输的可靠性 及稳定性将得到极大提高,不过,形成空间光孤子的 条件比较复杂,这还有待进一步研究。 均能提高OLED的响应速度。 参考文献: [1]Nakayama T,Hiyama K,Furukawa K,et a1.Development of phosphorescent white OLED with extremely high power efi—f ciency and long lifetime[J].SID Symposium Digest Technical Papers,2007,38(1):1018—1021. 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