[논문 리뷰] Enhanced four-wave-mixing with 2D layered graphene oxide films integrated with CMOS compatible micro-ring resonators

Jiayang Wu, Yunyi Yang외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 11.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 76인용 수 33

한 줄 요약

CMOS-호환 마이크로 링 공진기에 계층화된 그래핀 옥사이드 박막을 통합하여 향상된 사중파 혼합을 시연하고, 변환 효율 증가를 크게 달성했다.

ABSTRACT

Layered 2D graphene oxide (GO) films are integrated with microring resonators (MRRs) to experimentally demonstrate enhanced nonlinear optics in the form of four wave mixing (FWM). Both uniformly coated and patterned GO films are integrated on CMOS compatible doped silica MRRs using a large area, transfer free, layer by layer GO coating method together with photolithography and lift off processes, yielding precise control of the film thickness, placement, and coating length. The high Kerr nonlinearity and low loss of the GO films combined with the strong light matter interaction within the MRRs results in a significant improvement in the FWM efficiency in the hybrid MRRs. Detailed FWM measurements are performed at different pump powers and resonant wavelengths for the uniformly coated MRRs with 1 to 5 layers of GO as well as the patterned devices with 10 to 50 layers of GO. The experimental results show good agreement with theory, achieving up to 7.6 dB enhancement in the FWM conversion efficiency (CE) for an MRR uniformly coated with 1 layer of GO and 10.3 dB for a patterned device with 50 layers of GO. By fitting the measured CE as a function of pump power for devices with different numbers of GO layers, we also extract the dependence of the third-order nonlinearity on layer number and pump power, revealing interesting physical insights about the evolution of the layered GO films from 2D monolayers to quasi bulk like behavior. These results confirm the high nonlinear optical performance of integrated photonic resonators incorporated with 2D layered GO films.

연구 동기 및 목표

• CMOS-호환 마이크로 링 공진기에 계층화된 그래핀 옥사이드 박막을 통합하여 비선형 광학 성능을 향상시키는 것을 탐구한다.
• GO 계층 수와 패터닝이 사중 파 혼합(conversion efficiency)에 미치는 영향을 정량화한다.
• 전이-없는 GO 코팅 방법을 구축하여 도핑된 실리카 MRR에 GO 박막 두께와 배치를 제어한다.

제안 방법

• 포토리소그래피와 리프트-오프를 결합한 대면적의 전이-없는 계층적 GO 코팅 방법을 사용하여 도핑된 실리카 MRR에 GO를 증착한다.
• 균일 코팅된 MRR(1–5 GO 층)과 패턴된 GO 소자(10–50 GO 층)를 제작한다.
• 펌프 파워와 공진 파장을 따라 사중 파 혼합 측정을 수행하여 전환 효율을 추출한다.
• CE 대 펌프 파워를 피팅하여 GO 층 수와 펌프 파워에 따른 3차 비선형성 의존성을 연구한다.
• 비선형 증강을 해석하기 위해 실험 결과를 이론 모델과 비교한다.
• 관찰된 CE 향상을 보고 2D 계층 GO 박막이 통합된 MRR의 높은 비선형 광학 성능을 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GO 필름을 CMOS-호환 MRR에 통합하는 것이 FWM 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 GO 층 수와 필름 패터닝이 FWM 전환 효율에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 단일층에서 준-벌크로의 GO 층 진화가 하이브리드 시스템의 3차 비선형성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1층의 균일 GO 코팅은 FWM 전환 효율에서 최대 7.6 dB 향상을 제공한다.
• 50층의 패턴 GO 소자는 FWM 전환 효율에서 최대 10.3 dB 향상을 달성한다.
• CE vs 펌프 파워 데이터는 층 수와 펌프 파워에 대한 3차 비선형성의 의존성을 추정하게 한다.
• 결과는 이론과 일치하며 2D 계층 GO 박막이 통합된 MRR의 높은 비선형 광학 성능을 뒷받침한다.
• GO를 이용한 확장 가능하고 CMOS-호환적인 향상된 비선형 광학 접근법을 시연한다.