[논문 리뷰] High third-order Kerr optical nonlinearity in BiOBr 2D films measured by the Z-scan method

Linnan Jia, Dandan Cui외 9명|Figshare|2019. 09. 05.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 61인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 800 nm 및 1550 nm에서 Z-scan 기법을 사용하여 이차원 BiOBr 나노플레이크의 비선형 광학적 성질을 조사하였으며, 비선형 굴절율 계수 n₂ = 10⁻¹⁴ m²/W와 비선형 흡수 계수 β = 10⁻⁷ m/W를 갖는 높은 세차 비선형 킬러 비선형성(Third-order Kerr nonlinearity)을 규명하였다. 이 작업은 파장에 따라 n₂의 부호가 반전되며 두께에 따라 증가하는 비선형성 특성을 확인하여 BiOBr가 통합 비선형 광학 장치에 유망한 소재임을 입증하였다.

ABSTRACT

We investigate the nonlinear optical properties of BiOBr nanoflakes, a novel two-dimensional (2D) layered material from the Bismuth oxyhalide family. We measure the nonlinear absorption and Kerr nonlinearity of BiOBr nanoflakes at both 800 nm and 1550 nm via the Z scan technique. We observe a large nonlinear absorption coefficient beta = 10^-7 m/W as well as a large Kerr coefficient n2 = 10^-14 m^2/W. We also observe strong dispersion in n2, with it reversing sign from negative to positive as the wavelength varies from 800 nm to 1550 nm. In addition, we characterize the thickness-dependence of the nonlinear optical properties of BiOBr nanoflakes, observing that both the magnitudes of beta and n2 increase for very thin flakes. Finally, we integrate BiOBr nanoflakes onto silicon integrated waveguides and characterize the linear optical properties of the resulting hybrid integrated devices, with the measurements agreeing with calculated parameters using independent ellipsometry measurements. These results verify the strong potential of BiOBr as an advanced nonlinear optical material for high-performance hybrid integrated photonic devices.

연구 동기 및 목표

• BiOBr 나노플레이크의 비선형 광학적 성질을 조사하기 위해, 이는 비스무트 산할라이드 계열의 새로운 2차원 소재이다.
• Z-scan 기법을 사용하여 800 nm 및 1550 nm에서 BiOBr의 비선형 흡수 및 킬러 비선형성을 측정하기 위해.
• BiOBr 나노플레이크의 비선형 광학 반응이 두께에 따라 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• BiOBr 나노플레이크를 실리콘 웨이브가이드에 통합하고, 이를 통해 하이브리드 통합 광학 장치를 제작하기 위해.
• 유분도 측정 및 이론적 모델링을 기반으로 하이브리드 장치의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 800 nm 및 1550 nm에서 BiOBr 나노플레이크의 비선형 흡수 및 킬러 비선형성을 측정하기 위해 Z-scan 기법을 사용하였다.
• 표준 Z-scan 이론을 기반으로 Z-scan 투과도 곡선에서 비선형 흡수 계수 β 및 비선형 굴절율 계수 n₂를 추출하였다.
• 다양한 두께의 플레이크를 측정하여 β 및 n₂의 두께 의존성을 분석하였다.
• BiOBr 나노플레이크를 실리콘 질화물 웨이브가이드에 전사하여 하이브리드 통합 광학 장치를 제작하였다.
• 하이브리드 장치의 선형 광학적 성질을 측정하고, 측정된 두께 및 굴절율을 기반으로 한 이론적 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 및 가까운 적외선 파장에서 BiOBr 2D 필름의 세차 비선형 킬러 비선형성의 크기는 얼마인가?
• RQ2 특히 800 nm에서 1550 nm 범위를 넘어서 비선형 굴절율 계수 n₂는 파장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 BiOBr 나노플레이크의 두께에 따라 비선형 광학 계수 β 및 n₂는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 BiOBr 나노플레이크는 실리콘 웨이브가이드에 효과적으로 통합되어 기능성 하이브리드 광학 장치를 형성할 수 있는가?
• RQ5 유분도 데이터를 기반으로 한 이론적 모델에 비해, 하이브리드 장치의 선형 광학적 반응 측정치는 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 800 nm 및 1550 nm에서 BiOBr 나노플레이크에서 비선형 흡수 계수 β = 10⁻⁷ m/W의 큰 값을 측정하였다.
• 800 nm 및 1550 nm에서 모두 높은 세차 비선형 킬러 비선형성을 관찰하였으며, 비선형 굴절율 계수 n₂ = 10⁻¹⁴ m²/W를 기록하였다.
• 비선형 굴절율 계수 n₂는 강한 파장 분산를 보이며, 800 nm에서 음성에서 1550 nm에서 양성으로 부호가 반전되었다.
• 두께가 얇아질수록 β 및 n₂가 크게 증가하여 두께 증가에 따른 비선형성 향상 현상을 확인하였다.
• BiOBr-실리콘 하이브리드 웨이브가이드 장치의 측정된 선형 광학적 성질이, 유분도 측정 데이터를 기반으로 한 이론적 예측과 잘 일치하였다.
• BiOBr 나노플레이크를 실리콘 웨이브가이드에 통합하는 것이 성공적으로 구현되었으며, 이는 BiOBr가 고성능 하이브리드 통합 광학 장치에 유망한 소재임을 확인하였다.