[論文レビュー] Enhanced four-wave-mixing and 3rd order optical nonlinearity in SiN nanowires integrated with graphene oxide films

Yang Qu, Jiayang Wu+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 60被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、シリコンナ nitride (SiN) ナノ波ガイドに数層のグラフェンオキシド (GO) フィルムを、転写を伴わない層間積層コーティング法により統合することで、有効非線形パラメータが100倍向上することを実証した。GOの層数と空間的パターニングを最適化することにより、ハイブリッド波ガイドは四波混合 (FWM) 変換効率が最大9.1 dB向上し、FWM帯域幅も広がり、光-物質相互作用の強化に起因する顕著なカー非線形性の増幅が明らかになった。

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.

研究の動機と目的

• 集積非線形フォトニクスを目的としたシリコンナイトライド (SiN) ナノ波ガイドにおける三次非線形光特性の向上。
• 高いカー非線形性を示す2次元グラフェンオキシド (GO) フィルムを統合することで、SiN波ガイドの固有の非線形性能制限を克服すること。
• SiN波ガイド上でのGOフィルムの厚さ、配置、コーティング長さを精密に制御可能なスケーラブルで転写を不要とするプロセスの開発。
• GO層数および空間的パターニングがFWM効率および帯域幅に与える影響を実験的に評価すること。
• GO-SiNハイブリッド波ガイドの有効非線形パラメータを抽出し、非線形性増幅メカニズムの物理的理解を確立すること。

提案手法

• 事前に作製されたSiNナノワイヤーガイド上に、転写を伴わない層間積層スピンコーティング法を用いて、均一またはパターニングされたグラフェンオキシド (GO) フィルムを堆積した。
• 標準的なフォトレジストプロセスおよびリフトオフ工程により、GOフィルムの長さ、位置、厚さを精密に制御し、層数およびパターニングジオメトリの系統的変動を可能にした。
• 非線形性能の評価を目的として、異なるポンプ入力パワーとGO層数の条件下で四波混合 (FWM) 測定を実施した。
• FWM変換効率および帯域幅測定から、ハイブリッド波ガイドの有効非線形パラメータ (γ_eff) を抽出した。
• デバイスジオメトリの最適化を目的として、FWM効率および帯域幅がパターン長および位置に依存する関係を詳細に分析した。
• FWMデータからGOの三次非線形感受率 (χ³) を導出し、層数依存の非線形性増幅が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiNナノワイヤーにグラフェンオキシド (GO) フィルムを統合すると、四波混合 (FWM) 変換効率および帯域幅にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ハイブリッド波ガイドにおけるFWM性能を最大化するための最適なGO層数および空間的パターニング構成は何か？
• RQ3 GO層数およびポンプパワーに応じて、ハイブリッド波ガイドの有効非線形パラメータ (γ_eff) はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 ハイブリッドプラットフォームで測定されたGOフィルムの固有の三次非線形光特性 (χ³) は何か？また、層数に依存するか？
• RQ5 GO統合によるSiN波ガイド内の光-物質相互作用は、どの程度強化され、非線形光応答の測定可能な向上に寄与するか？

主な発見

• 一層のGOを均一にコーティングしたSiN-GO波ガイドでは、FWM変換効率が7.3 dB向上した。
• 五層のGOをパターニングしたデバイスでは、FWM変換効率が9.1 dB向上し、空間的エンジニアリングの有効性が示された。
• パターニングされたデバイスではFWM帯域幅が顕著に広がり、改善されたスペクトル応答および非線形位相マッチングを示した。
• ハイブリッド波ガイドの有効非線形パラメータ (γ_eff) は、純粋なSiN波ガイドと比較して100倍以上向上した。
• GOフィルムの三次非線形性 (χ³) は層数に伴い増加し、フィルム厚さおよび層間相互作用に強く依存することが明らかになった。
• 非線形性の増幅と伝搬損失のバランスを最適化することで、最良の性能が得られ、中程度のGO層数および特定のパターンジオメトリで最高の効率が観測された。