[論文レビュー] High third-order Kerr optical nonlinearity in BiOBr 2D films measured by the Z-scan method

Linnan Jia, Dandan Cui+9 more|Figshare|Sep 5, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 61被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、800 nmおよび1550 nmにおけるZスキャン法を用いて、2次元BiOBrナノフラクチュアの非線形光学的性質を調査した。その結果、n₂ = 10⁻¹⁴ m²/Wの高い3次高調波 Kerr 非線形性と、β = 10⁻⁷ m/Wの非線形吸収係数を明らかにした。波長依存のn₂の符号反転および厚さに伴う非線形性の増幅が観察され、BiOBrが統合非線形フォトニクス素子に有望な材料であることが確認された。

ABSTRACT

We investigate the nonlinear optical properties of BiOBr nanoflakes, a novel two-dimensional (2D) layered material from the Bismuth oxyhalide family. We measure the nonlinear absorption and Kerr nonlinearity of BiOBr nanoflakes at both 800 nm and 1550 nm via the Z scan technique. We observe a large nonlinear absorption coefficient beta = 10^-7 m/W as well as a large Kerr coefficient n2 = 10^-14 m^2/W. We also observe strong dispersion in n2, with it reversing sign from negative to positive as the wavelength varies from 800 nm to 1550 nm. In addition, we characterize the thickness-dependence of the nonlinear optical properties of BiOBr nanoflakes, observing that both the magnitudes of beta and n2 increase for very thin flakes. Finally, we integrate BiOBr nanoflakes onto silicon integrated waveguides and characterize the linear optical properties of the resulting hybrid integrated devices, with the measurements agreeing with calculated parameters using independent ellipsometry measurements. These results verify the strong potential of BiOBr as an advanced nonlinear optical material for high-performance hybrid integrated photonic devices.

研究の動機と目的

• BiOBrナノフラクチュアの非線形光学的性質を調査すること。BiOBrは、ビスマス酸ハライド族に属する新規2次元材料である。
• Zスキャン法を用いて、800 nmおよび1550 nmにおけるBiOBrの非線形吸収およびKerr非線形性を測定すること。
• BiOBrナノフラクチュアにおける非線形光学的応答の厚さ依存性を検討すること。
• BiOBrナノフラクチュアをシリコン波導に統合し、ハイブリッド統合フォトニクス素子を実装すること。
• 独立的な楕円測定と理論的モデリングを用いて、ハイブリッド素子の性能を検証すること。

提案手法

• 800 nmおよび1550 nmにおけるBiOBrナノフラクチュアの非線形吸収およびKerr非線形性を測定するために、Zスキャン法が用いられた。
• 標準的なZスキャン理論を用いて、Zスキャン透過率曲線から非線形吸収係数βおよび非線形屈折率n₂が抽出された。
• 異なる厚さのフラクチュアを測定することで、βおよびn₂の厚さ依存性が分析された。
• BiOBrナノフラクチュアをシリコン窒化物波導に転写して、ハイブリッド統合フォトニクス素子を製造した。
• ハイブリッド素子の線形光学的性質を測定し、楕円測定で得られた厚さおよび屈折率に基づく理論予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信波長および近赤外波長におけるBiOBr 2次元薄膜の3次高調波 Kerr 非線形性の大きさは何か？
• RQ2 特に800 nmから1550 nmの範囲で、BiOBrの非線形屈折率n₂は波長にどのように依存するか？
• RQ3 BiOBrナノフラクチュアの厚さに伴い、非線形光学係数βおよびn₂はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 BiOBrナノフラクチュアは、シリコン波導に効果的に統合され、機能的なハイブリッドフォトニクス素子を形成できるか？
• RQ5 楕円測定データに基づく理論モデルと比較して、ハイブリッド素子の線形光学的応答の実験的測定値はどの程度一致するか？

主な発見

• 800 nmおよび1550 nmの両波長において、BiOBrナノフラクチュアでβ = 10⁻⁷ m/Wの大きな非線形吸収係数が測定された。
• 800 nmおよび1550 nmの両波長で、高い3次高調波 Kerr 非線形性が観察され、非線形屈折率n₂ = 10⁻¹⁴ m²/Wであった。
• 非線形屈折率n₂は強い波長分散を示し、800 nmでは負の符号、1550 nmでは正の符号に反転していた。
• βおよびn₂の両方が、薄いBiOBrフラクチュアで顕著に増加しており、厚さに伴う非線形応答の増幅が示された。
• BiOBr-シリコンハイブリッド波導素子の測定された線形光学的性質は、楕円測定データに基づく理論予測と良好に一致した。
• BiOBrナノフラクチュアをシリコン波導に統合する手法が成功裏に実証され、高機能ハイブリッド統合フォトニクス素子への材料の可能性が確認された。