[논문 리뷰] Graphene oxide for enhanced nonlinear optics in low and high index contrast waveguides and nanowires

Yunyi Yang, Jiayang Wu외 7명|Figshare|2018. 10. 16.

Photonic and Optical Devices인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 그래핀 옥사이드(GO) 코팅 파이프웨이에서의 네 번째 파동 혼합(FWM)을 향상시키는 것을 보여주며, 1.5 cm 소자에서 최대 9.5 dB FWM 향상을 달성하고, 다른 기하학에 대해 더 큰 이득이 예측됩니다.

ABSTRACT

We demonstrate enhanced four-wave mixing (FWM) in doped silica waveguides integrated with graphene oxide (GO) layers. Owing to strong mode overlap between the integrated waveguides and GO films that have a high Kerr nonlinearity and low loss, the FWM efficiency of the hybrid integrated waveguides is significantly improved. We perform FWM measurements for different pump powers, wavelength detuning, GO coating lengths, and number of GO layers. Our experimental results show good agreement with theory, achieving up to ~9.5-dB enhancement in the FWM conversion efficiency for a 1.5-cm-long waveguide integrated with 2 layers of GO. We show theoretically that for different waveguide geometries an enhancement in FWM efficiency of ~ 20 dB can be obtained in the doped silica waveguides, and more than 30 dB in silicon nanowires and slot waveguides. This demonstrates the effectiveness of introducing GO films into integrated photonic devices in order to enhance the performance of nonlinear optical processes.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 옥사이드(GO) 층을 도입하여 집적 광학에서의 비선형 광학 향상 연구.
• FWM 효율에 대한 GO 코팅 길이, GO 층 수, 펌프 조건의 영향을 정량화한다.
• 웨이브가이드 기하학 전반에서의 최적화 가능성을 평가하기 위해 이론 모델과 실험 결과를 비교한다.

제안 방법

• GO 층이 통합된 도핑된 실리카 웨이브가이드를 제작한다.
• 다양한 펌프 전력 및 파장 디튠에 걸친 4-파동 혼합(FWM) 측정을 수행한다.
• 중첩 및 비선형 효과를 연구하기 위해 GO 코팅 길이와 GO 층 수를 변화시킨다.
• FWM 향상에 대한 이론적 예측과 실험 결과를 개발하고 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도핑된 실리카 웨이브가이드에서 GO 층 수와 코팅 길이가 FWM 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 펌프 전력과 파장 디튠이 GO가 통합된 웨이브가이드의 FWM에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 GO를 이용한 다양한 웨이브가이드 기하학(예: 실리콘 나노와이어, 슬롯 웨이브가이드)에서 달성 가능한 FWM 향상은 무엇인가?
• RQ4 실험 결과가 GO 유도 비선형 향상에 대한 이론적 기대와 일치하는가?

주요 결과

• 2 GO 층이 있는 1.5-cm 길이의 웨이브가이드에서 FWM 전환 효율이 최대 ~9.5-dB 향상.
• 웨이브가이드와 GO 필름 사이의 강한 모드 중첩은 낮은 손실로 높은 Kerr 비선형성을 제공하여 FWM 향상을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 도핑된 실리카 웨이브가이드에서 약 20 dB, 실리콘 나노와이어와 슬롯 웨이브가이드에서 >30 dB의 FWM 향상을 시사한다.
• GO 통합은 광학 소자에서 비선형 광학 과정을 강화하는 데 효과적이다.