[논문 리뷰] Design of microring resonators integrated with 2D graphene oxide films for four-wave mixing

Yuning Zhang, Jiayang Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 30.

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한 줄 요약

이 논문은 2차원 그래핀 옥사이드(GO) 필름으로 코팅된 마이크로링 공진기(MRR)에서 4파면 혼합(FWM)의 이론적 최적화를 제안한다. 공진 증폭과 조절 가능한 GO 필름의 물리적 특성을 활용하여, 케르 비선형성과 전파 손실 간의 균형을 맞춤으로써 FWM 변환 효율을 18.6 dB 향상시켰다. 이는 이전 실험 결과보다 8.3 dB 높은 성능으로, 비선형 광학 장치의 성능 향상에 있어 뚜렷한 기여를 한다.

ABSTRACT

We theoretically investigate and optimize the performance of four-wave mixing (FWM) in microring resonators (MRRs) integrated with two-dimensional (2D) layered graphene oxide (GO) films. Owing to the interaction between the MRRs and the highly nonlinear GO films as well as to the resonant enhancement effect, the FWM efficiency in GO-coated MRRs can be significantly improved. Based on previous experiments, we perform detailed analysis for the influence of the GO film parameters and MRR coupling strength on the FWM conversion efficiency (CE) of the hybrid MRRs. By optimizing the device parameters to balance the trade-off between the Kerr nonlinearity and loss, we achieve a high CE enhancement of ~18.6 dB relative to the uncoated MRR, which is ~8.3 dB higher than previous experimental results. The influence of photo-thermal changes in the GO films as well as variations in the MRR parameters such as the ring radius and waveguide dispersion on the FWM performance is also discussed. These results highlight the significantly improved FWM performance that can be achieved in MRRs incorporating GO films and provide a guide for optimizing their FWM performance.

연구 동기 및 목표

• 2차원 그래핀 옥사이드(GO) 필름으로 코팅된 마이크로링 공진기(MRR)에서 4파면 혼합(FWM) 성능의 이론적 연구 및 최적화를 수행한다.
• GO 필름 두께, 층 수, MRR 결합 강도가 FWM 변환 효율(CE)에 미치는 영향을 분석한다.
• 최적의 FWM 성능를 위해 케르 비선형성과 전파 손실 간의 상충 관계를 해결한다.
• 사진열 효과 및 웨이브가이드 군속도 분산이 하이브리드 GO-MRR 장치의 FWM 효율에 미치는 영향을 평가한다.
• CMOS 호환성 있는 통합 광학 장치에서 GO 필름을 활용한 더 높은 FWM 효율을 달성하기 위한 설계 가이드라인을 제공한다.

제안 방법

• 연구는 GO 필름(굴절률, 흡수 계수, 케르 비선형성)과 도핑된 실리카 MRR의 실험 측정 자료를 기반으로 한 이론적 모델을 사용한다.
• 결합 모드 이론과 비선형 슈뢰딩거 방정식을 활용하여 FWM 변환 효율을 계산하며, 공진 증폭과 전력 의존성 손실을 포함한다.
• GO 필름 두께(1층 = 2 nm), 층 수(N = 1에서 50까지), 고리 반지름(R), 결합 강도(t)를 변화시켜 비선형성과 손실 간의 균형을 확보하기 위해 파arametric 최적화를 수행한다.
• 사진열 효과는 두꺼운 필름에서 특히 두드러지므로, GO 필름에 전력 의존성 손실 변화를 도입하여 모델링한다.
• 다양한 GO 층 수를 가진 하이브리드 MRR의 군속도 분산(β₂)을 계산하여 광역 FWM에 적합한 위상 일치 조건을 평가한다.
• 공진 증폭 효과를 분리하기 위해 코팅되지 않은 MRR 및 GO 코팅 웨이브가이드와의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GO 필름의 층 수와 두께는 GO 코팅 MRR의 FWM 변환 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 GO 코팅 MRR에서 FWM 효율을 극대화하기 위해 케르 비선형성과 전파 손실 간의 최적 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 두꺼운 필름에서 GO 필름의 사진열 효과는 FWM 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MRR의 고리 반지름과 결합 강도가 FWM 효율과 고역차감비에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 GO 필름의 포함 여부가 MRR의 군속도 분산과 위상 일치 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 코팅되지 않은 MRR에 비해 GO 코팅 MRR에서 FWM 변환 효율(CE) 향상 최대 약 18.6 dB를 달성하였으며, 이는 이전 실험 결과보다 약 8.3 dB 높은 성능이다.
• 1층 GO 필름의 경우, 고리 반지름 135 µm, 결합 강도 0.812에서 최대 CE 향상 14.6 dB를 달성하였으며, 절대적 CE와 상대적 향상 간의 상충 관계를 확인할 수 있었다.
• 공진 강도 증폭 덕분에 GO 코팅 MRR의 FWM CE는 유사 조건의 GO 코팅 웨이브가이드보다 뚜렷이 높으며, 일부 구성에서는 20 dB 이상의 향상이 이루어졌다.
• 두꺼운 GO 필름(예: 50층)은 더 높은 손실과 낮아진 CE를 유도하지만, 동시에 더 강한 비정상 군속도 분산을 유도하여 광역 FWM에 유리한 위상 일치 조건을 제공한다.
• 두꺼운 GO 필름에서는 결함 밀도 증가와 열산란로 인해 사진열 효과가 FWM 성능 저하에 더 크게 기여하여 실용적인 두께 한계를 제약한다.
• 1층 GO를 포함한 하이브리드 MRR는 코팅되지 않은 MRR에 비해 군속도 분산(β₂)이 약간 감소하여 더 나은 위상 일치 조건과 광역 FWM 성능(Δλ/FSR = 30 범위에서 2 dB 이내의 효율 저하)을 달성한다.