[논문 리뷰] BiOBr 2D materials for integrated nonlinear photonics devices

Linnan Jia, Dandan Cui외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 31.

Nonlinear Optical Materials Studies참고 문헌 84인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 BiOBr 나노플레이크가 800 nm 및 1550 nm에서 강한 삼차 비선형 광학 비선형성을 나타내며, 비선형 흡수 계수 β ≈ 10⁻⁷ m/W 및 케르르 계수 n² ≈ 10⁻¹⁴ m²/W를 보임을 입증한다. 케르르 비선형성은 이 파장 간에 부호가 음성에서 양성으로 전환되며, 플레이크 두께가 감소할수록 β 및 n²가 증가한다. 실리콘 웨이브가이드에 통합된 결과 저손실 전파가 확인되어 BiOBr가 비선형 통합 포토닉스를 위한 고성능 플랫폼으로서의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

As a new group of advanced 2D layered materials, bismuth oxyhalides, i.e., BiOX (X = Cl, Br, I), have recently become of great interest. In this work, we characterize the third-order optical nonlinearities of BiOBr, an important member of the BiOX family. The nonlinear absorption and Kerr nonlinearity of BiOBr nanoflakes at both 800 nm and 1550 nm are characterized via the Z-Scan technique. Experimental results show that BiOBr nanoflakes exhibit a large nonlinear absorption coefficient = \b{eta} = 10-7 m/W as well as a large Kerr coefficient n2 = 10-14 m2/W. We also note that the n2 of BiOBr reverses sign from negative to positive as the wavelength is changed from 800 nm to 1550 nm. We further characterize the thickness-dependent nonlinear optical properties of BiOBr nanoflakes, finding that the magnitudes of \b{eta} and n2 increase with decreasing thickness of the BiOBr nanoflakes. Finally, we integrate BiOBr nanoflakes into silicon integrated waveguides and measure their insertion loss, with the extracted waveguide propagation loss showing good agreement with mode simulations based on ellipsometry measurements. These results confirm the strong potential of BiOBr as a promising nonlinear optical material for high-performance hybrid integrated photonic devices.

연구 동기 및 목표

• 통합 포토닉 응용을 위한 BiOBr 나노플레이크의 삼차 비선형 광학적 성질을 규명하는 것.
• BiOBr에서 비선형 흡수 및 케르르 비선형성의 파장 및 두께 의존성을 조사하는 것.
• BiOBr 나노플레이크를 실리콘 웨이브가이드에 통합하고 하이브리드 통합 장치에서의 성능을 평가하는 것.
• 유도체 측정된 굴절률 및 흡수계수를 기반으로 한 모드 시뮬레이션과의 비교를 통해 비선형 광학 반응을 검증하는 것.

제안 방법

• 800 nm 및 1550 nm에서 비선형 흡수 및 케르르 비선형성을 측정하기 위해 Z-스캔 기법을 사용하였다.
• 분리된 BiOBr 나노플레이크의 두께를 측정하기 위해 원자력 현미경(AFM)을 활용하였다.
• 자외선-가시광선 분광법 및 스펙트럴 유도체 측정을 통해 선형 광학적 성질을 결정하였으며, 이는 금속 밴드 갭 및 굴절률(n ≈ 2.2, k ≈ 0.2, 1550 nm에서)을 포함한다.
• 라만 분광법을 통해 BiOBr 나노플레이크의 구조적 품질 및 진동 모드를 확인하였다.
• BiOBr 나노플레이크를 실리콘 웨이브가이드에 통합하고, 삽입 손실을 측정하여 웨이브가이드 전파 손실을 추출하였다.
• Lumerical FDTD 시뮬레이션을 사용하여 모드 분포를 모델링하고 측정된 n 및 k 값에 기반한 전파 손실을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BiOBr 나노플레이크의 800 nm 및 1550 nm에서 삼차 비선형 광학적 성질은 무엇인가?
• RQ2 BiOBr의 케르르 비선형성(n²)은 파장에 따라 어떻게 변화하며, 부호 전환이 발생하는가?
• RQ3 BiOBr 나노플레이크의 두께에 따라 비선형 흡수 계수 β 및 케르르 계수 n²는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 BiOBr-실리콘 하이브리드 웨이브가이드의 전파 손실은 얼마이며, 시뮬레이션 값과 비교해보면 어떠한가?

주요 결과

• BiOBr 나노플레이크는 800 nm 및 1550 nm에서 비선형 흡수 계수 β ≈ 10⁻⁷ m/W를 나타낸다.
• BiOBr의 케르르 계수 n²는 두 파장에서 모두 약 10⁻¹⁴ m²/W에 도달하여 강한 광학 비선형성을 나타낸다.
• 케르르 계수의 부호는 800 nm에서 음성에서 1550 nm에서 양성으로 전환되며, n²의 강한 파장 분산을 나타낸다.
• β 및 n²는 BiOBr 나노플레이크의 두께가 감소할수록 증가하며, 두께에 의존하는 비선형성 향상 효과를 입증한다.
• BiOBr-실리콘 하이브리드 웨이브가이드에서 측정된 전파 손실은 유도체 데이터를 기반으로 한 FDTD 시뮬레이션 결과와 양호한 일치를 보였다.
• 모의 전파 손실는 실험 값보다 略로 높게 나타났으며, 이는 산란 및 다층 간섭 효과로 인해 두께가 증가할수록 내재된 재료 손실이 증가하기 때문인 것으로 추정된다.