[論文レビュー] Enhanced nonlinear optical figure-of-merit at 1550nm for silicon nanowires integrated with graphene oxide layered films

Yuning Zhang, Jiayang Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 60被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、SOIシリコンナノワイヤへ層状グラフェン酸化物膜をコーティングすることにより、カー非線形性を著しく向上させ、非線形パラメータを16倍、非線形フィギュア・オブ・メリットを約20倍、5を超える水準へ高めることを示している。

ABSTRACT

Layered 2D GO films are integrated with silicon on insulator (SOI) nanowire waveguides to experimentally demonstrate an enhanced Kerr nonlinearity, observed through selfphase modulation (SPM). The GO films are integrated with SOI nanowires using a large area, transfer free, layer by layer coating method that yields precise control of the film thickness. The film placement and coating length are controlled by opening windows in the silica cladding of the SOI nanowires. Owing to the strong mode overlap between the SOI nanowires and the highly nonlinear GO films, the Kerr nonlinearity of the hybrid waveguides is significantly enhanced. Detailed SPM measurements using picosecond optical pulses show significant spectral broadening enhancement for SOI nanowires coated with 2.2 mm long films of 1 to 3 layers of GO, and 0.4 mm long films with 5 to 20 layers of GO. By fitting the experimental results with theory, the dependence of the n2 for GO on layer number and pulse energy is obtained, showing interesting physical insights and trends of the layered GO films from 2D monolayers to quasi bulk like behavior. Finally, we show that by coating SOI nanowires with GO films the effective nonlinear parameter of SOI nanowires is increased 16 times, with the effective nonlinear figure of merit (FOM) increasing by about 20 times to greater than 5. These results reveal the strong potential of using layered GO films to improve the Kerr nonlinear optical performance of silicon photonic devices.

研究の動機と目的

• GO層状膜を介したSOIナノワイヤ波導におけるカー非線性の強化を実証する。
• GO膜の厚さと配置を制御するための大面積・転写なしのレイヤー・バイ・レイヤーコーティング法を開発する。
• ピコ秒パルスを用いた自己位相変調(SPM)測定を実施し、カー非線性の強化を定量化する。
• GO層数とパルスエネルギーに対するn2の依存性を抽出し、単層から準バルクへとGOの挙動を理解する。
• 実用的なシリコンフォトニクスデバイスに対する非線形フィギュア・オブ・メリットへの影響を評価する。

提案手法

• 大面積・転写なしのレイヤー・バイ・レイヤーコーティングプロセスを用いて、GO層状膜をSOIナノワイヤに統合する。
• SOIナノワイヤのシリカクラディングに窓を作成して、GO膜の厚さと配置を制御する。
• ピコ秒光パルスを用いた自己位相変調(SPM)測定を実施し、スペクトルの広がりを評価する。
• 実験的SPMデータを理論モデルに適合させ、GO層数とパルスエネルギーに依存する有効n2を抽出する。
• 異なるGO層数（2.2 mm膜で1–3層；0.4 mm膜で5–20層）でのカー非線形性の改善を比較し、単層から準バルク挙動への傾向を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン酸化物層状膜をシリコンナノワイヤに統合することは、1550 nmでのカー非線性にどのような影響を与えるか。
• RQ2 GO層数とパルスエネルギーに対する非線形屈折率n2の依存性はどうなるか。
• RQ3 GO膜は実用的なフォトニクスにおけるシリコンナノワイヤデバイスの非線形フィギュア・オブ・メリットを有意に向上させるか。
• RQ4 GO層厚とSOIナノワイヤにおけるSPM誘起スペクトル広がりの関係は何か。

主な発見

• GOで被覆されたSOIナノワイヤは、GO膜との強いモードオーバーラップにより、カー非線形性が著しく向上する。
• SPMから観測されるスペクトル広がりは、GO膜長さ（2.2 mm）と層数（1–3層；0.4 mmで5–20層）とともに増加する。
• 適合結果は、GOのn2が層数とパルスエネルギーに依存することを示し、2Dの単層から準バルク挙動への遷移を明らかにする。
• GO膜で被覆したとき、SOIナノワイヤの有効非線形パラメータは16×増加する。
• 有効非線形FOMは約20×増加し、値は5を上回る。