層狀2D氧化石墨烯(GO)薄膜與微環(huán)諧振器(MRRs)集成在一起，實(shí)驗(yàn)證明可增強(qiáng)非線性光學(xué)。在摻雜有二氧化硅MRRs的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)上，使用大面積、無轉(zhuǎn)移、逐層涂敷GO薄膜方法，均勻涂敷(1-5層)和圖形化(10-50層) GO薄膜，可精確控制薄膜厚度。圖形裝置進(jìn)一步采用光刻和剝離工藝，確保精確控制膜的位置和涂層長(zhǎng)度。對(duì)于不同泵浦功率和諧振波長(zhǎng)的四波混頻(FWM)測(cè)量結(jié)果表明，均勻涂敷單層 GO器件，效率顯著提高了約7.6 dB，而涂有50層 GO的器件，其效率達(dá)到了約10.3 dB。測(cè)量結(jié)果與理論相吻合，這是由于GO薄膜具有較高的Kerr非線性和低損耗，再加上MRRs內(nèi)部的強(qiáng)光-質(zhì)相互作用，使得FWM效率得到了提高。從FWM測(cè)量中分析了GO的三階非線性對(duì)層數(shù)和泵浦功率之間的關(guān)系，揭示了關(guān)于GO膜從2D單層到準(zhǔn)塊狀行為演變的有趣物理見解。這些結(jié)果證實(shí)了與2D層狀氧化石墨烯薄膜相結(jié)合的集成光子諧振腔具有良好的非線性光學(xué)性能。
Figure 1. a)氧化石墨烯涂層集成MRR的示意圖。b) 2D層狀GO薄膜的SEM圖。c)無GO層和有兩層GO集成芯片的拉曼光譜。d)測(cè)量GO薄膜厚度與GO層數(shù)。e) 50層GO的綜合MRR圖。f)帶有GO薄膜集成MRR的制備流程示意圖。
Figure 2. a,b)分別使用低功率CW光測(cè)量的均勻涂有1-5層GO并圖案化10-50層GO的集成MRR透射光譜。c,d)另一臺(tái)高功率連續(xù)波泵注入大約1550.18 nm的共振時(shí)，分別使用低功率連續(xù)波探頭測(cè)量了具有一層均勻涂層和50層圖案化GO的MRR透射光譜。
Figure 3.分別具有1-5層均勻涂層和10-50層圖案化GO膜的MRR的a,b)功率相關(guān)消光比(ERs)和c,d)質(zhì)量因子(Qs)。(e,f)由(a−d)得到的擬合傳播損耗。
Figure 4.集成MRRs中FWM測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。
Figure 5. a,b)對(duì)于具有1-5層均勻涂層和10-50層圖案化GO膜的MRRs，在22 dBm泵浦功率下FWM光譜。c,d)從(a)和(b)中提取的CE增強(qiáng)和附加插入損失。e,f)對(duì)于具有1-5層均勻涂層和10-50層圖案化GO膜的MRRs，CE與泵浦功率的關(guān)系。
Figure 6. a-c)未包覆的MRR、均勻包覆一層GO的MRR、以及包覆50層GO的MRR在不同共振波長(zhǎng)下的光譜。d) (a−c)中MRRs測(cè)量的CE與Δλ/ FSR的關(guān)系。
Figure 7. 在FWM過程中分析GO材料特性的變化。
相關(guān)研究成果于2020年由斯威本理工大學(xué)David J. Moss課題組，發(fā)表在Small (DOI: 10.1002/smll.201906563)上。原文：2D Layered Graphene Oxide Films Integrated with Micro-Ring Resonators for Enhanced Nonlinear Optics
