[論文レビュー] Enhanced four-wave-mixing with 2D layered graphene oxide films integrated with CMOS compatible micro-ring resonators

Jiayang Wu, Yunyi Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 76被引用数 33

ひとこと要約

層状グラフェン酸化物膜を統合することで、CMOS互換のマイクロリング共振器における四重波混合を強化し、変換効率の顕著な向上を達成した。

ABSTRACT

Layered 2D graphene oxide (GO) films are integrated with microring resonators (MRRs) to experimentally demonstrate enhanced nonlinear optics in the form of four wave mixing (FWM). Both uniformly coated and patterned GO films are integrated on CMOS compatible doped silica MRRs using a large area, transfer free, layer by layer GO coating method together with photolithography and lift off processes, yielding precise control of the film thickness, placement, and coating length. The high Kerr nonlinearity and low loss of the GO films combined with the strong light matter interaction within the MRRs results in a significant improvement in the FWM efficiency in the hybrid MRRs. Detailed FWM measurements are performed at different pump powers and resonant wavelengths for the uniformly coated MRRs with 1 to 5 layers of GO as well as the patterned devices with 10 to 50 layers of GO. The experimental results show good agreement with theory, achieving up to 7.6 dB enhancement in the FWM conversion efficiency (CE) for an MRR uniformly coated with 1 layer of GO and 10.3 dB for a patterned device with 50 layers of GO. By fitting the measured CE as a function of pump power for devices with different numbers of GO layers, we also extract the dependence of the third-order nonlinearity on layer number and pump power, revealing interesting physical insights about the evolution of the layered GO films from 2D monolayers to quasi bulk like behavior. These results confirm the high nonlinear optical performance of integrated photonic resonators incorporated with 2D layered GO films.

研究の動機と目的

• CMOS互換のマイクロリング共振器と層状グラフェン酸化物膜の統合を検討し、非線形光学特性の性能を向上させる。
• GO層の層数とパターニングが四重波混合の変換効率にどう影響するかを定量化する。
• ドープシリカMRR上でGO膜の厚さと配置を制御する転写不要のコーティング法を確立する。

提案手法

• フォトリソグラフィとリフトオフを組み合わせた大面積・転写不要の層-by-層GOコーティング法を用いて、ドープ済みシリカMRRにGOを堆積する。
• 均一コーティングMDMRR（1–5 GO層）とパターン化GOデバイス（10–50 GO層）の両方を作製する。
• ポンプ出力と共振波長を変えた四重波混合測定を行い、変換効率を抽出する。
• CE対ポンプ電力をフィットし、GO層数とポンプ電力に対する三次非線形性の依存を調べる。
• 実験結果を理論モデルと比較して非線形強化を解釈する。
• 観測されたCEの向上を報告し、2D単層から準バルク挙動へと GO層の進化と関連づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GO膜をCMOS互換のMRRに統合することは、FWM効率にどのように影響するか？
• RQ2 GO層数および膜のパターンニングがFWM変換効率にどのように依存するか？
• RQ3 モノ層から準バルクへとGO層の進化は、ハイブリッド系の三次非線性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 1層の均一GOコーティングでFWM変換効率の最大7.6 dB向上を達成。
• 50層のパターン化GOデバイスでFWM変換効率の最大10.3 dB向上。
• CE対ポンプ電力データは、層数とポンプ電力に対する三次非線形性の依存を抽出できる。
• 結果は理論と一致し、2D層状GO膜と統合されたMRRの高い非線形光学性能を支持する。
• GOを用いた拡張可能なCMOS互換の高非線形光子技術のアプローチを実証する。