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

Linnan Jia, Dandan Cui+9 more|Figshare|Sep 5, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 61被引用 11

一句话总结

本研究利用800 nm和1550 nm波长下的Z-scan技术，研究了二维BiOBr纳米片的非线性光学特性，揭示了其具有高阶三阶克尔非线性，非线性折射率系数为n₂ = 10⁻¹⁴ m²/W，非线性吸收系数为β = 10⁻⁷ m/W。研究发现n₂的符号随波长变化而反转，且非线性响应随厚度增强，证实BiOBr是集成非线性光子器件的有前途材料。

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.

研究动机与目标

• 研究一种新型二维材料——铋氧卤化物家族的BiOBr纳米片的非线性光学特性。
• 利用Z-scan技术测量BiOBr在800 nm和1550 nm波长下的非线性吸收和克尔非线性。
• 研究BiOBr纳米片非线性光学响应的厚度依赖性。
• 将BiOBr纳米片集成到硅波导上，并表征所得混合光子器件。
• 通过独立的椭偏仪测量和理论建模验证混合器件的性能。

提出的方法

• 采用Z-scan技术测量BiOBr纳米片在800 nm和1550 nm波长下的非线性吸收和克尔非线性。
• 基于标准Z-scan理论，从Z-scan透射率曲线中提取非线性吸收系数β和非线性折射率n₂。
• 通过测量不同厚度的样品，分析β和n₂的厚度依赖性。
• 将BiOBr纳米片转移至氮化硅波导上，制备混合集成光子器件。
• 表征混合器件的线性光学特性，并与基于椭偏仪测得的厚度和折射率的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通信波段和近红外波段，BiOBr二维薄膜的三阶克尔非线性程度如何？
• RQ2 BiOBr的非线性折射率n₂在波长变化下如何变化，特别是在800 nm至1550 nm范围内？
• RQ3 BiOBr纳米片的非线性光学系数β和n₂如何随其厚度变化？
• RQ4 BiOBr纳米片能否有效集成到硅波导中，形成功能性的混合光子器件？
• RQ5 实验测得的混合器件线性光学响应与基于椭偏仪数据的理论模型之间的一致性如何？

主要发现

• 在800 nm和1550 nm波长下，测得BiOBr纳米片的非线性吸收系数β = 10⁻⁷ m/W。
• 在两个波长下均观察到高阶三阶克尔非线性，非线性折射率n₂ = 10⁻¹⁴ m²/W。
• 非线性折射率n₂表现出强烈的波长色散，其符号从800 nm处的负值反转为1550 nm处的正值。
• β和n₂在更薄的BiOBr纳米片中显著增强，表明非线性响应具有厚度增强效应。
• BiOBr-硅混合波导器件的实验测得线性光学特性与基于椭偏仪数据的理论预测高度吻合。
• 成功实现了BiOBr纳米片在硅波导上的集成，证实该材料在高性能混合集成光子器件中的应用潜力。