[논문 리뷰] Enhanced four-wave-mixing and 3rd order optical nonlinearity in SiN nanowires integrated with graphene oxide films

Yang Qu, Jiayang Wu외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 60인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 전이 불필요한 레이어별 스플린트 코팅 방법을 통해 소수층의 그래핀 옥사이드(GO) 필름을 실리콘 질화물(SiN) 나노웨이브가이드에 통합함으로써, SiN 나노웨이브가이드의 효과적 비선형 매개변수를 100배 향상시켰다. GO 층 수와 공간적 패턴 조절을 최적화함으로써, 하이브리드 웨이브가이드는 4파면 혼합(FWM) 변환 효율에서 최대 9.1 dB 향상과 함께 FWM 대역폭이 넓어져, 강화된 빛-물질 상호작용을 통한 강력한 케르르 비선형성 향상을 입증하였다.

ABSTRACT

Layered 2D graphene oxide (GO) films are integrated with silicon nitride (SiN) waveguides to experimentally demonstrate an enhanced Kerr nonlinearity via four wave mixing (FWM). Owing to the strong light matter interaction between the SiN waveguides and the highly nonlinear GO films, the FWM performance of the hybrid waveguides is significantly improved. SiN waveguides with both uniformly coated and patterned GO films are fabricated based on a transfer free, layer by layer GO coating method together with standard photolithography and lift off processes, yielding precise control of the film thickness, placement and coating length. Detailed FWM measurements are carried out for the fabricated devices with different numbers of GO layers and at different pump powers. By optimizing the trade off between the nonlinearity and loss, we obtain a significant improvement in the FWM conversion efficiency of 7.3 dB for a uniformly coated device with 1 layer of GO and 9.1 dB for a patterned device with 5 layers of GO. We also obtain a significant increase in FWM bandwidth for the patterned devices. A detailed analysis of the influence of pattern length and position on the FWM performance is performed. Based on the FWM measurements, the dependence of GOs third-order nonlinearity on layer number and pump power is also extracted, revealing interesting physical insights about the 2D layered GO films. Finally, we obtain an enhancement in the effective nonlinear parameter of the hybrid waveguides by over a factor of 100. These results verify the enhanced nonlinear optical performance of SiN waveguides achievable by incorporating 2D layered GO films.

연구 동기 및 목표

• 통합 비선형 포토닉스를 위한 실리콘 질화물(SiN) 나노웨이브가이드에서 3차 광학 비선형성을 향상시키기 위해.
• 고 케르르 비선형성을 지닌 2차원 그래핀 옥사이드(GO) 필름을 통합하여 SiN 웨이브가이드의 내재된 비선형 성능 제한을 극복하기 위해.
• SiN 웨이브가이드에 대한 GO 필름 두께, 위치, 코팅 길이를 정밀하게 제어할 수 있는 확장 가능한 전이 불필요한 제조 공정을 개발하기 위해.
• 실험적으로 GO 층 수와 공간적 패턴 조절이 FWM 효율성과 대역폭에 미치는 영향를 정량화하기 위해.
• GO-SiN 하이브리드 웨이브가이드의 효과적 비선형 매개변수를 추출하고, 비선형성 향상 메커니즘에 대한 물리적 이해를 수립하기 위해.

제안 방법

• 사전 제작된 SiN 나노웨이브가이드에 균일하거나 패턴화된 그래핀 옥사이드(GO) 필름을 전이 불필요한 레이어별 스피inning 코팅 방법을 사용하여 도포하였다.
• 표준 광리소그래피 및 리프오프 공정을 통해 GO 필름의 길이, 위치, 두께를 정밀하게 제어함으로써 층 수와 패턴 기하학을 체계적으로 변화시킬 수 있었다.
• 비선형 성능 평가를 위해 다양한 펌프 파워 수준과 GO 층 수를 변화시키며 4파면 혼합(FWM) 측정을 수행하였다.
• 하이브리드 웨이브가이드의 효과적 비선형 매개변수(γ_eff)는 FWM 변환 효율성 및 대역폭 측정에서 유도되었다.
• 장치 기하학 최적화를 위해 패턴 길이 및 위치에 따른 FWM 효율성과 대역폭 의존성에 대한 철저한 분석을 수행하였다.
• FWM 데이터에서 도출된 GO의 3차 비선형 감도(χ³)는 층 수에 따라 변화하는 비선형성 향상 특성을 보여주었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiN 나노웨이브가이드에 그래핀 옥사이드(GO) 필름을 통합할 경우, 4파면 혼합(FWM) 변환 효율성과 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 하이브리드 웨이브가이드에서 FWM 성능을 최대화하기 위해 최적의 GO 층 수와 공간적 패턴 구성은 무엇인가?
• RQ3 GO 층 수와 펌프 파워에 따라 하이브리드 웨이브가이드의 효과적 비선형 매개변수(γ_eff)는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 하이브리드 플랫폼에서 측정된 GO 필름의 내재 3차 광학 비선형성(χ³)은 무엇이며, 층 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 GO 통합을 통해 SiN 웨이브가이드의 빛-물질 상호작용을 얼마나 향상시킬 수 있으며, 이는 비선형 광학 응답의 측정 가능한 향상으로 이어지는가?

주요 결과

• 균일하게 코팅된 SiN-GO 웨이브가이드에서 단일 층의 GO를 사용함으로써 FWM 변환 효율성이 7.3 dB 향상되었다.
• 5층의 GO를 포함한 패턴화된 장치에서는 FWM 변환 효율성이 9.1 dB 향상되어 공간적 공학의 유용성을 입증하였다.
• 패턴화된 장치에서는 FWM 대역폭이 크게 넓어져, 개선된 스펙트럼 응답과 비선형 위상 일치를 나타내었다.
• 하이브리드 웨이브가이드의 효과적 비선형 매개변수(γ_eff)는 순수한 SiN 웨이브가이드 대비 100배 이상 향상되었다.
• GO 필름의 3차 비선형성(χ³)은 층 수가 증가함에 따라 증가함을 발견하여, 필름 두께와 계면 간 상호작용에 강한 의존성을 보였다.
• 비선형성 향상과 전파 손실 간의 균형을 맞추어 최적의 성능을 달성하였으며, 중간 정도의 GO 층 수와 특정 패턴 기하학에서 최고의 효율성이 관찰되었다.