[論文レビュー] BiOBr 2D materials for integrated nonlinear photonics devices

Linnan Jia, Dandan Cui+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

Nonlinear Optical Materials Studies参考文献 84被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、BiOBrナノフラクチュアが、800 nmおよび1550 nmの両波長で強力な三次非線形光学特性を示すことを示している。非線形吸収係数β ≈ 10⁻⁷ m/Wおよびカー非線形係数n² ≈ 10⁻¹⁴ m²/Wを示しており、800 nmから1550 nmにかけてカー非線形性の符号が負から正に反転している。また、フラクチュアの厚さが小さくなるにつれてβおよびn²が増加する。シリコン波ガイドへの統合により、低損失が確認され、BiOBrが非線形集積フォトニクスの高性能プラットフォームであることが裏付けられた。

ABSTRACT

As a new group of advanced 2D layered materials, bismuth oxyhalides, i.e., BiOX (X = Cl, Br, I), have recently become of great interest. In this work, we characterize the third-order optical nonlinearities of BiOBr, an important member of the BiOX family. The nonlinear absorption and Kerr nonlinearity of BiOBr nanoflakes at both 800 nm and 1550 nm are characterized via the Z-Scan technique. Experimental results show that BiOBr nanoflakes exhibit a large nonlinear absorption coefficient = \b{eta} = 10-7 m/W as well as a large Kerr coefficient n2 = 10-14 m2/W. We also note that the n2 of BiOBr reverses sign from negative to positive as the wavelength is changed from 800 nm to 1550 nm. We further characterize the thickness-dependent nonlinear optical properties of BiOBr nanoflakes, finding that the magnitudes of \b{eta} and n2 increase with decreasing thickness of the BiOBr nanoflakes. Finally, we integrate BiOBr nanoflakes into silicon integrated waveguides and measure their insertion loss, with the extracted waveguide propagation loss showing good agreement with mode simulations based on ellipsometry measurements. These results confirm the strong potential of BiOBr as a promising nonlinear optical material for high-performance hybrid integrated photonic devices.

研究の動機と目的

• 集積フォトニクス応用を目的としたBiOBrナノフラクチュアの三次非線形光学的性質を特徴づけること。
• BiOBrにおける非線形吸収およびカー非線形性の波長および厚さ依存性を調査すること。
• BiOBrナノフラクチュアをシリコン波ガイドに統合し、ハイブリッド集積デバイスにおける性能を評価すること。
• 分光測定で得られた屈折率および消衰係数に基づくモードシミュレーションと比較することで、非線形光学的応答を検証すること。

提案手法

• 800 nmおよび1550 nmにおける非線形吸収およびカー非線形性の測定にZスキャン法を用いた。
• 剥離したBiOBrナノフラクチュアの厚さ測定に原子間力顕微鏡（AFM）を用いた。
• UV-vis分光法およびスペクトル的偏光測定法を用いて、バンドギャップおよび屈折率（1550 nmにおけるn ≈ 2.2、k ≈ 0.2）を含む線形光学的性質を決定した。
• ラマン分光法により、BiOBrナノフラクチュアの構造的品質およびフォノンモードを確認した。
• BiOBrナノフラクチュアをシリコン波ガイド上に統合し、挿入損失を測定することで波ガイドの伝搬損失を抽出した。
• Lumerical FDTDシミュレーションを用いてモードプロファイルをモデル化し、測定されたnおよびk値に基づいて伝搬損失を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 800 nmおよび1550 nmにおけるBiOBrナノフラクチュアの三次非線形光学的性質は何か？
• RQ2 BiOBrのカー非線形係数n²は波長に依存するか。符号の反転が見られるか？
• RQ3 BiOBrナノフラクチュアの厚さに応じて、非線形吸収係数βおよびカー係数n²はどのように変化するか？
• RQ4 BiOBr-シリコンハイブリッド波ガイドの伝搬損失は何か。また、シミュレーション値と比較するとどうなるか？

主な発見

• BiOBrナノフラクチュアは、800 nmおよび1550 nmの両波長で非線形吸収係数β ≈ 10⁻⁷ m/Wを示している。
• BiOBrのカー係数n²は、両波長で約10⁻¹⁴ m²/Wに達しており、強力な光学的非線形性を示している。
• カー係数の符号は、800 nmでは負、1550 nmでは正に反転しており、n²における強い波長分散が示されている。
• βおよびn²は、BiOBrナノフラクチュアの厚さが小さくなるにつれて増加し、非線形性の厚さ依存性向上が確認された。
• BiOBr-シリコンハイブリッド波ガイドにおける測定された伝搬損失は、分光測定で得られたデータに基づくFDTDシミュレーションと良好に一致した。
• シミュレートされた伝搬損失は実験値よりもわずかに高かったが、散乱および層間効果に起因する材料の固有損失が厚さに比例して増加する傾向にあると考えられる。