[论文解读] Design of microring resonators integrated with 2D graphene oxide films for four-wave mixing

Yuning Zhang, Jiayang Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 40被引用 151

一句话总结

该论文提出了一种针对集成二维氧化石墨烯（GO）薄膜的微环谐振器（MRR）中四波混频（FWM）的理论优化，通过共振增强和定制化的GO薄膜参数，平衡克尔非线性与传播损耗，实现了FWM转换效率提升18.6 dB，较先前实验结果高出8.3 dB，显著提升了非线性光子器件的性能。

ABSTRACT

We theoretically investigate and optimize the performance of four-wave mixing (FWM) in microring resonators (MRRs) integrated with two-dimensional (2D) layered graphene oxide (GO) films. Owing to the interaction between the MRRs and the highly nonlinear GO films as well as to the resonant enhancement effect, the FWM efficiency in GO-coated MRRs can be significantly improved. Based on previous experiments, we perform detailed analysis for the influence of the GO film parameters and MRR coupling strength on the FWM conversion efficiency (CE) of the hybrid MRRs. By optimizing the device parameters to balance the trade-off between the Kerr nonlinearity and loss, we achieve a high CE enhancement of ~18.6 dB relative to the uncoated MRR, which is ~8.3 dB higher than previous experimental results. The influence of photo-thermal changes in the GO films as well as variations in the MRR parameters such as the ring radius and waveguide dispersion on the FWM performance is also discussed. These results highlight the significantly improved FWM performance that can be achieved in MRRs incorporating GO films and provide a guide for optimizing their FWM performance.

研究动机与目标

• 理论研究并优化集成二维氧化石墨烯（GO）薄膜的微环谐振器（MRR）中四波混频（FWM）的性能。
• 分析GO薄膜厚度、层数以及MRR耦合强度对FWM转换效率（CE）的影响。
• 解决GO涂层MRR中克尔非线性与传播损耗之间的权衡，以实现最优FWM性能。
• 评估光热效应和波导色散对混合GO-MRR器件中FWM效率的影响。
• 为利用GO薄膜实现CMOS兼容集成光子器件中更高FWM效率提供设计路线图。

提出的方法

• 该研究基于实验测得的GO薄膜（折射率、消光系数、克尔非线性）和掺杂二氧化硅MRR的材料参数，构建理论模型。
• 利用耦合模理论和非线性薛定谔方程计算FWM转换效率，整合共振增强与功率相关损耗。
• 通过调节GO薄膜厚度（1层 = 2 nm）、层数（N = 1 至 50）、环半径（R）和耦合强度（t）进行参数优化，以平衡非线性与损耗。
• 通过在GO薄膜中引入功率相关损耗变化来建模光热效应，尤其针对较厚薄膜。
• 计算不同GO层数的混合MRR的群速度色散（β₂），以评估宽带FWM的相位匹配条件。
• 将性能与未涂层MRR及GO涂层波导进行对比，以分离出共振增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 GO薄膜层数和厚度如何影响GO涂层MRR中FWM转换效率？
• RQ2 在GO涂层MRR中，克尔非线性与传播损耗之间最优权衡为何值，可使FWM效率最大化？
• RQ3 GO薄膜中的光热效应如何影响FWM性能，特别是在较厚薄膜中？
• RQ4 MRR的环半径和耦合强度在多大程度上影响FWM效率和消光比？
• RQ5 GO薄膜的引入如何改变MRR的群速度色散和相位匹配带宽？

主要发现

• 与未涂层MRR相比，GO涂层MRR中FWM转换效率（CE）最大提升约18.6 dB，较先前实验结果高出约8.3 dB。
• 对于单层GO薄膜，当环半径为135 µm、耦合强度为0.812时，FWM CE提升达最大值14.6 dB，凸显了绝对CE与相对增强之间的权衡。
• 由于共振强度增强，GO涂层MRR中的FWM CE显著高于类似GO涂层波导，某些配置中增益超过20 dB。
• 较厚的GO薄膜（如50层）导致更高损耗和更低CE，但同时诱导更强的反常群速度色散，有利于实现宽带FWM的相位匹配。
• 由于缺陷密度增加和热耗散增强，光热效应在较厚GO薄膜中更显著地降低FWM性能，限制了实际可用厚度上限。
• 含单层GO的混合MRR的群速度色散（β₂）相比未涂层MRR略有降低，有助于实现更好的相位匹配，并在Δλ/FSR = 30范围内实现小于2 dB的性能退化。