[論文レビュー] High Kerr nonlinearity hydrogenated amorphous silicon nanowires with low two photon absorption and high optical stability

Christian Grillet, Luca Carletti+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Nonlinear Optical Materials Studies被引用数 77

ひとこと要約

この論文は、高い非線形性の図面（FOM ~5）と強い Kerr 非線形性（Re(γ) = 1200 W⁻¹m⁻¹）を示す水素ドーピングされたアモルファスシリコンナノワイヤーを示しており、2 W のピークパワー（約 2 GW/cm²）で1時間以上にわたり劣化を認めない優れた光学的安定性を達成した。材料は二光子吸収が低いため、統合非線形フォトニクス素子に最適である。

ABSTRACT

We demonstrate optically stable amorphous silicon nanowires with both high nonlinear figure of merit (FOM) of ~5 and high nonlinearity Re(γ) = 1200W-1m-1. We observe no degradation in these parameters over the entire course of our experiments including systematic study under operation at 2 W coupled peak power (i.e. ~2GW/cm2) over timescales of at least an hour.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクス回路用に低損失で高非線形性を示す光学材料の開発。
• 高強度光照射下におけるアモルファスシリコンの光学的損傷と不安定性の課題の解決。
• ナノスケールのシリコンウェーブガイドにおいて、二光子吸収を最小限に抑えながら非線形図面（FOM）を最大化すること。
• 連続波高パワー動作下での長期的光学的安定性の実証。
• すべての光信号処理およびすべての光スイッチングへの実用的応用の実現。

提案手法

• プラズマ増強化学気相堆積法（PECVD）を用いた水素ドーピングアモルファスシリコンナノワイヤーの作製。
• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、断面寸法を制御したナノワイヤー波ガイドの定義。
• z-スキャン法を用いた非線形屈折率の測定により、非線形係数の実部（Re(γ)）を決定。
• 高強度連続波照射下での時間分解透過測定を用いた二光子吸収の評価。
• ピークパワーが最大2 W（約 2 GW/cm²）の条件下で、長時間（≥1 時間）にわたる光学的安定性の系統的テスト。
• 二光子吸収損失を表す Im(γ) を用いて、非線形図面（FOM）を FOM = Re(γ)/Im(γ) として計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素ドーピングされたアモルファスシリコンナノワイヤーは、高光学強度下でも高い Kerr 非線形性を維持できるか？
• RQ2 高パワー密度下における水素ドーピングされたアモルファスシリコンナノワイヤーの二光子吸収の程度はいかほどか？
• RQ3 これらのナノワイヤーの非線形光学的特性は、長時間の動作後でも安定しているか？
• RQ4 水素ドーピングとナノ構造化によって、アモルファスシリコンにおける非線形図面（FOM）を顕著に向上させられるか？
• RQ5 このようなウェーブガイドで劣化が発生する前の最大持続可能な光学出力パワーはどの程度か？

主な発見

• 非線形図面（FOM）は約 5 に達しており、非線形性と損失のバランスが良好であることを示している。
• 非線形係数の実部（Re(γ)）は 1200 W⁻¹m⁻¹ に達しており、強い Kerr 非線形性が確認された。
• 2 W のピークパワー（約 2 GW/cm²）で1時間以上の連続動作後でも、非線形パラメータの測定可能な劣化は観察されなかった。
• 標準的なアモルファスシリコンと比較して、二光子吸収が顕著に低減されており、これが高い FOMに寄与している。
• ナノワイヤーは高強度光照射下でも光学的安定性を維持しており、実用的デバイス統合に耐える強靭性を示している。
• 結果から、水素ドーピングされたアモルファスシリコンナノワイヤーは、高性能すべての光デバイスのための有望なプラットフォームであることが確認された。