Enhanced Kerr Nonlinearity and Nonlinear Figure of Merit in Silicon Nanowires Integrated with 2D Graphene Oxide Films

材料科学 石墨烯 功勋 氧化物 克尔效应 硅纳米线 纳米线 非线性系统 纳米技术 光电子学 氧化硅 氮化硅 量子力学 物理 冶金
作者
Yuning Zhang,Jiayang Wu,Yunyi Yang,Yang Qu,Linnan Jia,Tania Moein,Baohua Jia,David Moss
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (29): 33094-33103 被引量:280
标识
DOI:10.1021/acsami.0c07852
摘要

Layered two-dimensional (2D) graphene oxide (GO) films are integrated with silicon-on-insulator (SOI) nanowire waveguides to experimentally demonstrate an enhanced Kerr nonlinearity, observed through self-phase modulation (SPM). The GO films are integrated with SOI nanowires using a large-area, transfer-free, layer-by-layer coating method that yields precise control of the film thickness. The film placement and coating length are controlled by opening windows in the silica cladding of the SOI nanowires. Owing to the strong mode overlap between the SOI nanowires and the highly nonlinear GO films, the Kerr nonlinearity of the hybrid waveguides is significantly enhanced. Detailed SPM measurements using picosecond optical pulses show significant spectral broadening enhancement for SOI nanowires coated with 2.2 mm long films of 1–3 layers of GO and 0.4 mm long films with 5–20 layers of GO. By fitting the experimental results with theory, the dependence of GO's Kerr nonlinearity on layer number and pulse energy is obtained, showing interesting physical insights and trends of the layered GO films from 2D monolayers to quasi bulk-like behavior. Finally, we show that by coating SOI nanowires with GO films, the effective nonlinear parameter of SOI nanowires is increased 16-fold, with the effective nonlinear figure of merit (FOM) increasing by about 20 times to FOM > 5. These results reveal the strong potential of using layered GO films to improve the Kerr nonlinear optical performance of silicon photonic devices.
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