Abstract Layered 2D graphene oxide (GO) films are integrated with silicon nitride (SiN) waveguides to experimentally demonstrate an enhanced Kerr nonlinearity via four‐wave mixing (FWM). SiN waveguides with both uniformly coated and patterned GO films are fabricated based on a transfer‐free, layer‐by‐layer GO coating method along with standard photolithography and lift‐off processes, yielding precise control of the film thickness, placement, and coating length. Detailed FWM measurements are carried out for the fabricated devices with different numbers of GO layers and at different pump powers, achieving up to ≈7.3 dB improvement in the FWM conversion efficiency for an uniformly coated device with one layer of GO and ≈9.1 dB for a patterned device with five layers of GO. A detailed analysis of the influence of pattern length and position on the FWM performance is performed. The dependence of GO's third‐order nonlinearity on layer number and pump power is also extracted, revealing interesting physical insights about the layered 2D GO films. Finally, an enhancement is obtained in the effective nonlinear parameter of the hybrid waveguides by over a factor of 100 relative to bare SiN waveguide. These results demonstrate the high nonlinear optical performance of SiN waveguides integrated with layered 2D GO films.

Efficient heat management and control in optical devices, facilitated by advanced thermo-optic materials, is critical for many applications such as photovoltaics, thermal emitters, mode-locked lasers, and optical switches. Here, we investigate the thermo-optic properties of 2D graphene oxide (GO) films by precisely integrating them onto microring resonators (MRRs) with control over the film thicknesses and lengths. We characterize the refractive index, extinction coefficient, thermo-optic coefficient, and thermal conductivity of for the GO films with different layer numbers and degrees of reduction, including reversible reduction and enhanced optical bistability induced by photo-thermal effects. Experimental results show that the thermo-optic properties of 2D GO films vary widely with the degree of reduction, with significant polarization anisotropy, enabling efficient polarization sensitive devices. The versatile thermo-optic response of 2D GO substantially expands the scope of functionalities and devices that can be engineered, making it promising for a diverse range of thermo-optic applications.

As a rapidly expanding family of 2D materials, MXenes have recently gained considerable attention. Herein, by developing a coating method that enables transfer‐free and layer‐by‐layer film coating, the nonlinear optical absorption (NOA) of Ti 3 C 2 T x MXene films is investigated. Using the Z ‐scan technique, the NOA of the MXene films is characterized at ≈800 nm. The results show that there is a strong and layer‐dependent NOA behavior, transitioning from reverse saturable absorption (RSA) to saturable absorption (SA) as the layer number increases from 5 to 30. Notably, the nonlinear absorption coefficient β changes significantly from ≈7.13 × 10 2 cm GW −1 to ≈−2.69 × 10 2 cm GW −1 within this range. The power‐dependent NOA of the MXene films is also characterized, and a decreasing trend in β is observed for increasing laser intensity. Finally, the NOA of 2D MXene films at ≈1550 nm is characterized by integrating them onto silicon nitride waveguides, where an SA behavior is observed for the films including 5 and 10 layers of MXene, in contrast to the RSA observed at ≈800 nm. These results reveal intriguing nonlinear optical properties of 2D MXene films, highlighting their versatility and potential for implementing high‐performance nonlinear photonic devices.