[논문 리뷰] Enhanced nonlinear optical figure-of-merit at 1550nm for silicon nanowires integrated with graphene oxide layered films

Yuning Zhang, Jiayang Wu외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 17.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 60인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 SOI 실리콘 나노와이어를 다층 그래핀 옥사이드(GO) 필름으로 코팅하면 Kerr 비선형성이 현저하게 강화되어 비선형 매개변수(n2)가 16배, 비선형 지표(FOM)가 약 20배 증가하여 5를 넘는 값을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

Layered 2D GO films are integrated with silicon on insulator (SOI) nanowire waveguides to experimentally demonstrate an enhanced Kerr nonlinearity, observed through selfphase modulation (SPM). The GO films are integrated with SOI nanowires using a large area, transfer free, layer by layer coating method that yields precise control of the film thickness. The film placement and coating length are controlled by opening windows in the silica cladding of the SOI nanowires. Owing to the strong mode overlap between the SOI nanowires and the highly nonlinear GO films, the Kerr nonlinearity of the hybrid waveguides is significantly enhanced. Detailed SPM measurements using picosecond optical pulses show significant spectral broadening enhancement for SOI nanowires coated with 2.2 mm long films of 1 to 3 layers of GO, and 0.4 mm long films with 5 to 20 layers of GO. By fitting the experimental results with theory, the dependence of the n2 for GO on layer number and pulse energy is obtained, showing interesting physical insights and trends of the layered GO films from 2D monolayers to quasi bulk like behavior. Finally, we show that by coating SOI nanowires with GO films the effective nonlinear parameter of SOI nanowires is increased 16 times, with the effective nonlinear figure of merit (FOM) increasing by about 20 times to greater than 5. These results reveal the strong potential of using layered GO films to improve the Kerr nonlinear optical performance of silicon photonic devices.

연구 동기 및 목표

• GO layered films를 이용한 SOI 나노와이어 파형에서 Kerr 비선형성 강화 입증.
• GO 필름 두께와 배치를 제어하기 위한 대면적, 전이 없이 Layer-by-layer 코팅 방법 개발.
• 피크세컨드 펄스(ps) 펄스를 이용한 자기위상변조(SPM) 측정을 통해 Kerr 비선형성 강화 정량.
• GO 층 수에 따른 n2 의존성과 펄스 에너지를 추출하여 모노레이어에서 준벌크로의 GO 거동 이해.
• 실용적인 실리콘 포토닉 디바이스를 위한 비선형 지표(FOM) 영향 평가.

제안 방법

• 대면적, 전이-free Layer-by-layer 코팅 공정을 사용하여 SOI 나노와이어에 GO layered films를 통합.
• SOI 나노와이어의 실리카 클래딩에 창을 만들어 GO 필름 두께와 위치를 제어.
• 피크로초 광 펄스를 이용한 자기위상변조(SPM) 측정을 수행하여 스펙트럼 확장을 평가.
• GO 층 수와 펄스 에너지에 따른 유효 n2 를 추출하기 위해 실험적 SPM 데이터를 이론 모델에 맞춰 피팅.
• 모노레이어에서 준벌크까지의 경향을 밝히기 위해 서로 다른 GO 층수(2.2 mm films with 1–3 layers; 0.4 mm films with 5–20 layers)에 따른 Kerr 비선형성 개선 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GO layered films를 실리콘 나노와이어에 통합하면 1550 nm에서 Kerr 비선형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 GO 층 수와 펄스 에너지에 따른 비선형 굴절률 n2 의 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ3 GO 필름이 실용적인 포토닉 디바이스를 위한 실리콘 나노와이어의 비선형 지표를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 GO 층 두께와 SOI 나노와이어에서 관찰된 SPM 유도 스펙트럼 확장 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• GO 코팅된 SOI 나노와이어는 GO 필름과의 강한 모드 중첩으로 인해 Kerr 비선형성이 크게 향상된다.
• SPM으로 관찰된 스펙트럼 확장은 GO 필름 길이(2.2 mm)와 층 수(1–3 layers; 0.4 mm에 5–20 layers)에서 증가한다.
• 적합 결과는 GO의 n2가 층 수와 펄스 에너지에 따라 달라짐을 보여주며 모노레이어에서 준벌크 거동으로의 전이를 나타낸다.
• GO 필름으로 코팅된 경우 SOI 나노와이어의 유효 비선형 매개변수는 16× 증가한다.
• 유효 비선형 지표(FOM)는 약 20× 증가하여 5를 초과하는 값을 얻는다.