[論文レビュー] Graphene oxide for enhanced nonlinear optics in low and high index contrast waveguides and nanowires

Yunyi Yang, Jiayang Wu+7 more|Figshare|Oct 16, 2018

Photonic and Optical Devices被引用数 49

ひとこと要約

本論文はグラフェン酸化物被覆導波路における四重波混合の強化を示し、1.5 cmデバイスで最大9.5 dBのFWM強化を達成し、他の幾何形状ではより大きなゲインが予測される。

ABSTRACT

We demonstrate enhanced four-wave mixing (FWM) in doped silica waveguides integrated with graphene oxide (GO) layers. Owing to strong mode overlap between the integrated waveguides and GO films that have a high Kerr nonlinearity and low loss, the FWM efficiency of the hybrid integrated waveguides is significantly improved. We perform FWM measurements for different pump powers, wavelength detuning, GO coating lengths, and number of GO layers. Our experimental results show good agreement with theory, achieving up to ~9.5-dB enhancement in the FWM conversion efficiency for a 1.5-cm-long waveguide integrated with 2 layers of GO. We show theoretically that for different waveguide geometries an enhancement in FWM efficiency of ~ 20 dB can be obtained in the doped silica waveguides, and more than 30 dB in silicon nanowires and slot waveguides. This demonstrates the effectiveness of introducing GO films into integrated photonic devices in order to enhance the performance of nonlinear optical processes.

研究の動機と目的

• グラフェン酸化物（GO）層を導入することによる集積フォトニクスにおける非線形光学特性の強化を調査する。
• GOコーティング長、GO層の数、およびポンプ条件がFWM効率に与える影響を定量化する。
• 波導幾何学全体での最適化可能性を評価するため、実験結果を理論モデルと比較する。

提案手法

• GO層を組み込んだドープドシリカ導波路を作製する。
• さまざまなポンプ出力と波長デタック（デターニング）を変化させてFWM測定を実施する。
• GOコーティング長さとGO層の数を変化させ、重ね合わせと非线形効果を調べる。
• FWM強化の理論予測と実験結果を比較・評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドープドシリカ導波路におけるGO層の数とコーティング長がFWM効率に与える影響は何か？
• RQ2 ポンプ出力と波長デタックがGO統合導波路のFWMにどのように影響するか？
• RQ3 GOを用いた異なる導波路幾何（例：シリコンナノワイヤ、スロット導波路）で達成可能なFWM強化はどの程度か？
• RQ4 GO誘起の非線形強化について、実験結果は理論的予測と一致しているか？

主な発見

• 2層のGOを用いた1.5 cm長の導波路でFWM変換効率が最大約9.5 dB向上。
• 導波路とGO膜との強いモード重ね合わせにより、高いカー非線形性と低損失を実現し、FWMを強化。
• 理論分析はドープドシリカ導波路で約20 dBのFWM強化、シリコンナノワイヤとスロット導波路で>30 dBを示唆。
• GO組み込みは光子デバイスにおける非線形光学過程を高めるのに有効である。