[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究通过一种无需转移的逐层涂覆方法，将少层氧化石墨烯（GO）薄膜与氮化硅（SiN）纳米波导集成，实现了SiN纳米波导有效非线性参数的100倍增强。通过优化GO层数和空间图案化，该异质波导在四波混频（FWM）转换效率上实现了最高9.1 dB的提升，并拓宽了FWM带宽，揭示了通过增强光-物质相互作用实现强克尔非线性增强的机制。

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.

研究动机与目标

• 提升氮化硅（SiN）纳米波导在集成非线性光子学中的三阶光学非线性性能。
• 通过集成具有高克尔非线性的二维氧化石墨烯（GO）薄膜，克服SiN波导在非线性性能方面的固有局限性。
• 开发一种可扩展的、无需转移的制造工艺，以精确控制GO薄膜在SiN波导上的厚度、位置和涂覆长度。
• 实验量化GO层数和空间图案化对FWM效率和带宽的影响。
• 提取GO-SiN异质波导的有效非线性参数，并建立非线性增强机制的物理解释。

提出的方法

• 采用无需转移的逐层旋涂方法，在预先制备的SiN纳米波导上沉积均匀或图案化的氧化石墨烯（GO）薄膜。
• 通过标准光刻和剥离工艺，精确控制GO薄膜的长度、位置和厚度，实现对层数和图案几何结构的系统性调节。
• 在不同泵浦功率水平和GO层数下进行四波混频（FWM）测量，以评估非线性性能。
• 从FWM转换效率和带宽测量中提取异质波导的有效非线性参数（γ_eff）。
• 对FWM效率和带宽与图案长度及位置的依赖关系进行详细分析，以优化器件几何结构。
• 从FWM数据中推导出GO的三阶非线性极化率（χ³），揭示其与层数相关的非线性增强特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GO薄膜与SiN纳米波导的集成如何影响四波混频（FWM）转换效率和带宽？
• RQ2 在异质波导中，最大化FWM性能的最优GO层数和空间图案化配置为何种？
• RQ3 异质波导的有效非线性参数（γ_eff）如何随GO层数和泵浦功率变化？
• RQ4 在异质平台中测得的GO薄膜本征三阶光学非线性（χ³）为何种值？其与层数的关系如何？
• RQ5 通过GO集成，SiN波导中的光-物质相互作用可增强到何种程度，从而实现非线性光学响应的可测量提升？

主要发现

• 在单层GO均匀涂覆的SiN-GO波导中，实现了7.3 dB的FWM转换效率提升。
• 在具有五层GO的图案化器件中，实现了9.1 dB的FWM转换效率提升，证明了空间工程的优势。
• 图案化器件的FWM带宽显著拓宽，表明其具有改进的光谱响应和非线性相位匹配特性。
• 与纯SiN波导相比，异质波导的有效非线性参数（γ_eff）提升了超过100倍。
• GO薄膜的三阶非线性（χ³）随层数增加而增强，揭示了其对薄膜厚度和层间相互作用的强烈依赖性。
• 通过在非线性增益与传播损耗之间取得平衡，实现了最优性能，最高效率出现在中等GO层数和特定图案几何结构下。