[논문 리뷰] High Kerr nonlinearity hydrogenated amorphous silicon nanowires with low two photon absorption and high optical stability

Christian Grillet, Luca Carletti외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 12.

Nonlinear Optical Materials Studies인용 수 77

한 줄 요약

이 논문은 비정질 실리콘 나노와이어의 수소화를 통해 비선형 도이머(비선형 도이머 ~5)가 높고 강력한 킬러 비선형성(Re(γ) = 1200 W⁻¹m⁻¹)을 가지며, 2 W 최대 힘(약 2 GW/cm²)에서 1시간 이상의 고출력 작동 동안 열화 없이 뛰어난 광학 안정성을 확보하였다. 이 물질은 낮은 두광자 흡수를 보이며, 통합 비선형 광학 장치에 이상적이다.

ABSTRACT

We demonstrate optically stable amorphous silicon nanowires with both high nonlinear figure of merit (FOM) of ~5 and high nonlinearity Re(γ) = 1200W-1m-1. We observe no degradation in these parameters over the entire course of our experiments including systematic study under operation at 2 W coupled peak power (i.e. ~2GW/cm2) over timescales of at least an hour.

연구 동기 및 목표

• 통합 광회로를 위한 저손실, 고비선형성 광학 재료를 개발하기 위해.
• 고강도 작동 조건에서 비정질 실리콘의 광학 손상 및 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• 나노스케일 실리콘 웨이브가이드에서 두광자 흡수를 최소화하면서 비선형 도이머(FOM)를 최대화하기 위해.
• 지속적인 연속파 작동 조건에서 장기간의 광학 안정성을 입증하기 위해.
• 모든 광학 신호 처리 및 모든 광학 스위칭 응용 분야의 실용적 적용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 플라즈마 증착 화학 기상 방법(PECVD)을 이용한 수소화 비정질 실리콘 나노와이어의 제작.
• 전자선 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 활용하여 제어된 횡단면 치수를 가진 나노와이어 웨이브가이드를 정의.
• z-스캔 기법을 통한 비선형 굴절률 측정을 통해 비선형 계수의 실수부(Re(γ))를 결정.
• 고강도 연속파 조명 조건에서 시간 해상도를 가진 투과도 측정을 통해 두광자 흡수 평가.
• 최대 2 W의 피크 힘(약 2 GW/cm²)에서 1시간 이상 지속적인 테스트를 통해 광학 안정성 시험.
• 두광자 흡수 손실을 나타내는 Im(γ)를 고려하여 비선형 도이머(FOM)를 FOM = Re(γ)/Im(γ)로 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소화 비정질 실리콘 나노와이어는 고강도 광학 조건에서도 높은 킬러 비선형성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 고강도 밀도에서 수소화 비정질 실리콘 나노와이어의 두광자 흡수 수준은 어떠한가?
• RQ3 이러한 나노와이어의 비선형 광학 특성은 장시간 작동 후에도 안정적인가?
• RQ4 수소화 및 나노구조화를 통해 비정질 실리콘의 비선형 도이머를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이러한 웨이브가이드에서 열화가 발생하기 이르기까지 지속 가능한 최대 광출력은 얼마인가?

주요 결과

• 비선형 도이머(FOM)가 약 5로 매우 높아 비선형성과 손실 사이의 유리한 균형을 보였다.
• 비선형 계수의 실수부(Re(γ))는 1200 W⁻¹m⁻¹에 도달하여 강력한 킬러 비선형성을 확인하였다.
• 2 W 피크 힘(약 2 GW/cm²)에서 1시간 이상 연속 작동 후 비선형 매개변수에 측정 가능한 열화가 관찰되지 않았다.
• 기존 비정질 실리콘에 비해 두광자 흡수가 현저히 감소하여 높은 FOM에 기여하였다.
• 고강도 조명 조건에서도 광학 안정성을 유지하여 실용적 장치 통합에 대한 내구성을 입증하였다.
• 결과적으로 수소화 비정질 실리콘 나노와이어는 고성능 모든 광학 장치의 유망한 플랫폼임을 확인하였다.