[论文解读] Graphene oxide for enhanced nonlinear optics in low and high index contrast waveguides and nanowires

Yunyi Yang, Jiayang Wu+7 more|Figshare|Oct 16, 2018

Photonic and Optical Devices被引用 49

一句话总结

该论文展示了在涂覆有石墨烯氧化物的波导中实现增强的四波混频，在长度为 1.5 cm 的器件中达到最高约 9.5 dB 的 FWM 增强，并预测其他几何结构可获得更大的增益。

ABSTRACT

We demonstrate enhanced four-wave mixing (FWM) in doped silica waveguides integrated with graphene oxide (GO) layers. Owing to strong mode overlap between the integrated waveguides and GO films that have a high Kerr nonlinearity and low loss, the FWM efficiency of the hybrid integrated waveguides is significantly improved. We perform FWM measurements for different pump powers, wavelength detuning, GO coating lengths, and number of GO layers. Our experimental results show good agreement with theory, achieving up to ~9.5-dB enhancement in the FWM conversion efficiency for a 1.5-cm-long waveguide integrated with 2 layers of GO. We show theoretically that for different waveguide geometries an enhancement in FWM efficiency of ~ 20 dB can be obtained in the doped silica waveguides, and more than 30 dB in silicon nanowires and slot waveguides. This demonstrates the effectiveness of introducing GO films into integrated photonic devices in order to enhance the performance of nonlinear optical processes.

研究动机与目标

• 通过引入 graphene oxide (GO) 层来研究集成光子学中的非线性光学增强。
• 量化 GO 涂层长度、GO 层数以及泵浦条件对 FWM 效率的影响。
• 将实验结果与理论模型进行比较，以评估不同波导几何结构中的优化潜力。

提出的方法

• 制备与 GO 层集成的掺杂二氧化硅波导。
• 在变化的泵浦功率和波长失谐下进行四波混频测量。
• 改变 GO 涂层长度和 GO 层数以研究重叠和非线性效应。
• 开发并将实验结果与 FWM 增强的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 GO 层数和涂层长度对掺杂二氧化硅波导中 FWM 效率的影响是什么？
• RQ2 泵浦功率和波长失谐如何影响 GO 集成波导中的 FWM？
• RQ3 在不同波导几何结构（例如硅纳米线、槽波导）下，使用 GO 能达到的 FWM 增强是多少？
• RQ4 实验结果是否与 GO 引发的非线性增强的理论预期一致？

主要发现

• 在长度为 1.5-cm 的波导中，使用 2 层 GO 的情况下，FWM 转换效率的提升可达约 9.5 dB。
• 波导与 GO 薄膜之间的强模场重叠带来高的 Kerr 非线性且损耗低，从而实现增强的 FWM。
• 理论分析表明掺杂二氧化硅波导中的 FWM 增强约为 ~20 dB，在硅纳米线和槽波导中则超过 >30 dB。
• GO 集成为提升光子器件中的非线性光学过程是有效的。