層狀2D氧化石墨烯(GO)薄膜與微環諧振器(MRRs)集成在一起，實驗證明可增強非線性光學。在摻雜有二氧化硅MRRs的互補金屬氧化物半導體(CMOS)上，使用大面積、無轉移、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度。對于不同泵浦功率和諧振波長的四波混頻(FWM)測量結果表明，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，其效率達到了約10.3 dB。測量結果與理論相吻合，這是由于GO薄膜具有較高的Kerr非線性和低損耗，再加上MRRs內部的強光-質相互作用，使得FWM效率得到了提高。從FWM測量中分析了GO的三階非線性對層數和泵浦功率之間的關系，揭示了關于GO膜從2D單層到準塊狀行為演變的有趣物理見解。這些結果證實了與2D層狀氧化石墨烯薄膜相結合的集成光子諧振腔具有良好的非線性光學性能。
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)測量GO薄膜厚度與GO層數。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)另一臺高功率連續波泵注入大約1550.18 nm的共振時，分別使用低功率連續波探頭測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)功率相關消光比(ERs)和c,d)質量因子(Qs)。(e,f)由(a−d)得到的擬合傳播損耗。
Figure 4.集成MRRs中FWM測量的實驗設置。
Figure 5. a,b)對于具有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增強和附加插入損失。e,f)對于具有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在不同共振波長下的光譜。d) (a−c)中MRRs測量的CE與Δλ/ FSR的關系。
Figure 7. 在FWM過程中分析GO材料特性的變化。
相關研究成果于2020年由斯威本理工大學David J. Moss課題組，發表在Small (DOI: 10.1002/smll.201906563)上。原文：2D Layered Graphene Oxide Films Integrated with Micro-Ring Resonators for Enhanced Nonlinear Optics
