Fluorescence Brightness, Photostability and Energy Transfer Enhancement of Immobilized Single Molecules in Zero-Mode Waveguides Nanoapertures
零模波导（ZMW）纳米孔径被广泛用于监测超出正常显微镜可访问范围的单个分子。然而，几个方面的ZMW影响荧光团的荧光物理学仍然没有得到充分的记录，有时有争议。在这里，我们彻底研究了ZMW对单个固定化Cy3B和Alexa 647分子荧光的影响，详细说明了亮度，寿命，光漂白时间，发射光子总数和Förster共振能量转移（FRET）之间的相互作用。尽管在ZMW的等离子体增强的激发强度，我们发现，光稳定性是保存与类似的光漂白时间的玻璃参考。在光漂白之前检测到的荧光亮度和光子总数都增加了，Alexa 647染料的增益接近5倍。最后，单分子数据重要地允许ZMW对FRET过程的影响的无环孔表征。我们发现，FRET速率常数提高了50%，表明纳米光子可以介导能量转移。这些结果加深了我们对ZMWs中荧光增强的理解，并与单分子生物物理应用直接相关。
2022-05-02 physics.chem-ph physics.optics
Resonance fluorescence in a waveguide geometry
我们展示了如何计算任意强度相干态光场与波导几何中的二能级系统相互作用的散射场的一阶和二阶统计。具体来说，我们计算的共振荧光量子位，使用输入输出形式主义。我们推导出的透射和反射系数，并说明了聚束和反聚束的光，是在向前和向后的方向散射，分别。我们的结果同意与以前的计算单光子和双光子散射，以及那些基于主方程的方法。
2012-02-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Deep UV plasmonic enhancement of single protein autofluorescence in zero-mode waveguides
单分子检测提供了关于分子结构和功能的详细信息，但它通常需要荧光标记物的存在，这可能干扰靶分子的活性或使样品生产复杂化。利用其天然的UV自发荧光检测单个蛋白质是避免与荧光标记相关的所有问题的有吸引力的方法。然而，来自单个蛋白质的UV自发荧光信号通常非常弱。在这里，我们使用铝等离子体增强色氨酸自发荧光发射的单个蛋白质在紫外范围内。零模式波导纳米孔能够观察单个无标记的β-半乳糖苷酶蛋白的UV荧光，具有增加的亮度、微秒通过时间和微摩尔浓度下的操作。我们展示了在宽范围的零模波导直径的局部浓度，扩散系数和流体动力学半径的无标记的蛋白质的定量测量。虽然等离子体荧光增强已经在光谱的可见光和近红外部分产生了巨大的兴趣，但这项工作进一步将等离子体增强的单分子检测的限制推到了UV范围内，并且构成了我们在生理浓度下询问其天然状态下的单蛋白质的能力的重要一步。
2019-09-18 physics.optics
Hybrid gap modes induced by fiber taper waveguides: application in spectroscopy of single solid-state emitters deposited on thin films
我们表明，通过模拟，光纤锥形波导可以是一个有效的工具，用于光致发光和谐振，消光光谱的单个发射器，如分子或胶体量子点，沉积在薄的电介质膜的表面上。放置在高折射率膜上，锥形光纤波导引起混合模式波的形成，类似于介电开槽波导模式，其在低折射率间隙区域中提供强场限制。这种间隙限制波的可用性产生潜在的高自发发射增强因子（$\approx20$）、荧光收集效率（$\approx 23%$）和透射消光（$\approx 20%$）水平。预测的荧光和消光水平的两个改善的因素，如果膜，而不是用一个悬浮的通道波导。两种配置，在可见光（$\approx 600 \nm$）和近红外（$\approx 1300 \nm$）光谱范围内的操作进行了评估，表现出类似的性能。
2010-02-19 physics.optics
Filter-free single-photon quantum dot resonance fluorescence in an integrated cavity-waveguide device
嵌入微柱腔中的半导体量子点在共振泵浦下具有良好的单光子发射性能。通常，相同的空间模式用于共振激发量子点和收集发射的单光子，需要交叉偏振以减少非耦合散射的激光。这本质上将源亮度降低到50%。关键是，对于某些量子应用，从产生到检测的总效率必须超过50%。在这里，我们展示了一种共振激发方法来创建没有任何交叉偏振的单光子，实际上没有任何过滤。它潜在地提高了单光子速率和收集效率，并简化了操作。这种集成器件允许我们使用连接的波导在器件平面中的几个腔中共振激发单量子点状态，而腔增强的单光子荧光在高斯模式下垂直（片外）定向。我们希望这种设计成为更大芯片级量子光子学的原型。
2019-10-15 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Vertical engineering for large stimulated Brillouin scattering in unreleased silicon-based waveguides
硅基波导中的强声光相互作用通常需要释放硅芯以避免机械泄漏到下面的二氧化硅衬底中。这使制造复杂化，限制了热化，降低了机械鲁棒性，并且阻碍了单个芯片上的大面积光机械器件。在这里，我们克服了这个限制，采用垂直光子-声子工程。具体地，在硅引导芯和二氧化硅衬底之间插入厚氮化硅层有助于减少GHz频率声子泄漏，从而在未释放平台中实现大的布里渊增益值。我们得到的值的布里渊增益约300（Wm）$^{-1}$为不同的配置，这可能会进一步增加在低温下的操作。这些值应该能够观察到厘米级波导或更紧凑的环形谐振器中的布里渊相关现象。这一发现为在硅片上实现大面积无释放腔和波导光机械铺平了道路。
2020-11-04 physics.optics
Resonance fluorescence from waveguide-coupled strain-localized two-dimensional quantum emitters
单光子发射器的有效片上集成是光子集成电路在量子技术中应用的主要瓶颈。共振激发的固态发射器正在成为接近最佳的量子光源，如果不是因为当前设备缺乏可扩展性的话。目前的集成方法依赖于光子集成电路中成本低的单个发射器放置，使得应用不可能。一个有前途的可扩展平台是基于二维（2D）半导体。然而，波导耦合的2D发射器的共振激发和单光子发射已被证明是难以捉摸的。在这里，我们展示了一种可扩展的方法，使用氮化硅光子波导，同时应变本地化的单光子发射器从二硒化钨（WSe2）单层，并将它们耦合到波导模式。我们证明了在光子电路中的单光子的指导，通过测量二阶自相关的g $^{(2)}(0)=0.150\pm0.093$和执行片上共振激发产生一个g $^{(2)}(0)=0.377\pm0.081$。我们的结果是一个重要的一步，使相干控制的量子态和高质量的单光子复用在一个可扩展的光子量子线路。
2020-05-15 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Non-generic bound states in the continuum in waveguides with lateral leakage channels
本文研究了具有侧向泄漏通道的光学波导中的非通型连续谱束缚态（BIC），发展微扰理论证明其附近的共振模和泄漏模分别具有超高Q因子和超低损耗，并揭示非通型BIC在任意微扰下表现为合并BIC，具有特殊应用价值。
2023-11-23 math-ph math.MP physics.optics
Photonic bandgap plasmonic waveguides
已经提出了一种新颖类型的等离子体激元波导，其特征在于“开放”设计，其易于制造、易于激发并且提供对等离子体激元模式的方便访问。利用泄漏辐射显微镜对光子带隙（PBG）等离子体波导的光学特性进行了实验研究，并利用有限元法对光子带隙波导进行了数值模拟，证实了光子带隙波导在宽光谱范围内的光学特性。PBG等离子体激元波导的传播和本地化特性已被讨论为工作波长的函数，波导芯尺寸和脊的周期性反射器的基本和高阶等离子体激元模式的波导中的数量。
2011-04-27 physics.optics
Real- and Fourier-space observation of the anomalous $π$-mode in Floquet engineered plasmonic waveguide arrays
我们提出了一个联合的实验和理论研究的驱动Su-Schrieffer-Heeger模型实现的阵列的倏逝耦合等离子体激元波导。Floquet理论预测，这个系统主机为合适的驱动频率的拓扑保护的边缘状态，没有对应的静态系统，所谓的异常Floquet拓扑$π$模式。通过使用实空间和傅立叶空间泄漏辐射显微镜与边缘和体激发相结合，我们明确地识别异常Floquet拓扑$π$模式，并研究其频率依赖性。
2022-03-10 physics.optics
Observation of the Wannier-Stark ladder in plasmonic waveguide arrays
渐逝耦合波导是研究紧束缚系统中波动力学的一个强有力的平台。在这里，我们调查的表面等离子体激元的传播介质加载的表面等离子体激元波导阵列的传播常数梯度作为一个有效的外部电位。使用泄漏辐射显微镜，我们观察到在实空间中的单站点激发的波包的周期性呼吸和振荡运动的情况下，高斯激发的多个波导。相应的动量分辨谱由等间距的模组成。我们解释这些观察作为等离子体类似物的布洛赫振荡和Wannier-Stark阶梯，分别。
2022-03-18 physics.optics
Resonance fluorescence of a chiral artificial atom
我们演示了一个超导人造原子与微波光子波导的强单向耦合。我们的人工原子是通过将一个transmon量子比特耦合到波导中的两个空间分离的点，并进行时间调制的相互作用来实现的。在我们的计划中的参数耦合所产生的方向敏感的干扰的结果在一个非互易的响应，我们测量的自发发射的前向/后向比超过100。我们通过测量强共振驱动下的共振荧光光谱和观察分辨良好的Mollow三重态来验证这种人工手性原子的量子非线性行为。此外，我们证明了人工原子的第二跃迁能量的手征性，并控制它与一个脉冲序列，以实现一个依赖于量子比特状态的非互易相位巡游光子。我们的演示提出了一个超导硬件平台，用于可扩展地实现手性量子光学范式中的几个关键功能，包括具有全对全连接性的量子网络，多体纠缠的驱动耗散稳定，以及复杂的非经典光态的产生。
2022-12-21 physics.optics quant-ph
Compact wavelength add-drop multiplexers using Bragg gratings in coupled dielectric-loaded plasmonic waveguides
本文提出了一种利用介质加载表面等离子体激元波导（DLSPPWs）的紧凑型波长分插复用器。基于DLSPPW的配置利用定向耦合器的路由特性和布拉格光栅的滤波能力。我们提出了一个20- $μ$米长的设备在电信波长，可以重新路由约70 nm的波长带中分离的光信号工作的实际实现。我们使用扫描近场光学显微镜以及泄漏辐射显微镜表征制造的结构的性能，并支持我们的研究结果与数值模拟。
2016-09-17 physics.optics
Interferometric near-field characterization of plasmonic slot waveguides in single- and poly-crystalline gold films
等离子体波导是集成纳米光子电路和纳米量子光学的一个很有前途的平台。然而，它们的使用通常受到引导表面等离子体激元模式的有限传播长度的阻碍。因此，详细了解材料质量和波导几何形状对复模折射率的影响至关重要。在这封信中，我们提出了在电信波长的等离子体缝隙波导制造聚焦离子束铣削在单晶和多晶金膜的干涉近场测量。我们观察到一个显着更好的性能的槽波导在单晶金膜的槽宽度低于$100\,\mathrm{nm}$。相比之下，对于较大的槽宽度，两种金膜产生可比的模式传播长度。我们的实验观察表明，占主导地位的损失通道的性质的变化，从欧姆泄漏辐射的间隙尺寸的增加。我们的实验结果再现三维数值计算。
2019-07-15 physics.optics
Surface passivation of zero-mode waveguide nanostructures: benchmarking protocols and fluorescent labels
零模波导（ZMW）纳米孔径有效地将光限制在纳米尺度，克服了单分子荧光分析中的衍射极限。然而，荧光分子在ZMW表面上的不必要的粘附会严重阻碍实验。因此，ZMW需要适当的表面钝化，但目前缺乏关于粘附现象的性质和不同钝化方案的优化的信息。在这里，我们监测荧光染料（Alexa Fluor 546和647，Atto 550和647 N）对双链DNA分子非特异性粘附的影响。我们表明，DNA双链在ZMW表面上的非特异性粘附是由所使用的有机荧光染料直接介导的，因为Atto 550和Atto 647 N显示出明显的粘附ZMW的趋势，而Alexa Fluor 546和647则明显没有这种效果。尽管荧光标记物的尺寸很小，但染料的表面电荷和疏水性似乎在促进DNA对ZMW表面的亲和力方面起着关键作用。接下来，不同的表面钝化方法（牛血清白蛋白BSA，聚乙二醇PEG，聚乙烯基膦酸PVPA）定量基准的荧光相关光谱，以确定最有效的方法，以防止吸附Atto 647 N标记的DNA。发现使用1000 Da摩尔质量的PVPA和PEG-硅烷的方案大大避免了到ZMW中的非特异性吸附。优化荧光染料的选择和表面钝化方案对于扩大ZMW在单分子荧光应用中的用途是非常重要的。
2020-01-14 physics.chem-ph physics.optics
Artificial Anisotropy Induced Bound States in the Continuum for Integrated Photonic Waveguide
Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）
该研究针对现有BIC波导设计灵活性不足的问题，提出采用亚波长光栅超材料实现人工光学各向异性的新范式，实现了BIC波导的灵活调控，为集成光子器件提供通用框架。
2026-08-24 physics.optics
Coherent Remote Control of Quantum Emitters Embedded in Polymer Waveguides
我们报告的相干内部状态控制的单晶纳米金刚石，平均包含1200个氮空位（NV）中心，嵌入在三维直接激光写入波导。我们激发NV中心通过波导传播的光，我们表明，发射的荧光可以有效地耦合到波导模式。我们发现到所有导模的平均耦合效率为21.6%。此外，我们调查光学检测的磁共振光谱以及拉比振荡记录通过波导耦合信号。我们的工作表明，该系统非常适合于在可自由配置的波导网络中的磁力测量和自旋相干性的远程读出，克服了对纳米金刚石中NV中心的直接光学访问的需要。这些波导集成传感器可能会开辟新的应用，如确定不透明或散射介质或光敏样品（如生物组织）内的磁场分布。
2019-08-15 physics.optics quant-ph
Fabrication and optical characterization of long-range surface-plasmon-polariton waveguides in the NIR
实验研究了780 nm光波长下，长程表面等离子激元-极化激元在贵金属条形波导中的传输。为了使传播阻尼最小化，光刻结构波导由嵌入电介质聚合物中的薄金条制成。我们的波导几何形状支持对称的基本和反对称的一阶模式。对于基模，我们测量的传播损耗为$(6.12^{+0.66} _{-0.54})$ dB/mm，与使用矢量本征模求解器的数值模拟吻合良好。我们的研究结果是一个很有前途的出发点耦合荧光的个人固态量子发射器集成等离子体波导结构。
2016-07-01 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Dispersion Engineering of Planar Sub-millimeter Wave Waveguides and Resonators with Low Radiation Loss
本研究通过色散工程设计低辐射损耗的平面亚毫米波传输线和谐振器，实现高Q因子，适用于量子信息、通信和天文学等领域。
2025-12-05 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Atomic fluorescence collection into planar photonic devices
研究利用平面光子学解决囚禁离子荧光收集的挑战，基于互易性原理推导收集效率，设计并验证了两种衍射收集元件，并提出一种用于远程纠缠生成的集成波导配置。
2024-12-16 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Polygonal Maxwell's fisheye lens via transformation optics as multimode waveguide crossing
多模波导交叉是新型模分复用系统的关键部件。MDM系统中多模波导路由的挑战之一是减少波导交叉的模间串扰和模泄漏。在这项工作中，我们提出了三个和四个波导的交叉多边形麦克斯韦鱼眼透镜的基础上，通过变换光学。所设计的透镜是通过将其折射率映射到引导硅层的厚度来实现的。三维时域有限差分仿真被用来评估所提出的$3\times3$和$4\times4$交叉的性能。$3\times3$和$4\times4$波导星形交叉的覆盖区分别为$18.6\times18.6$和$27.5\times27.5$ $μm^2$。对于两个波导交叉，输出端口中的模间串扰低于-22dB，而对于TE 0、TE 1和TE 2模式，到其他端口的串扰低于-37dB。在415 nm的带宽内，这些模式的插入损耗均小于0.5dB，覆盖了整个光通信波段。
2019-06-18 physics.app-ph physics.optics
Numerical modelling of the coupling efficiency of single quantum emitters in photonic-crystal waveguides
平面光子纳米结构在量子光学中的应用近年来引起了人们的极大关注。在这篇文章中，我们进行全三维数值模拟，充分考虑所有的辐射通道，从而量化的耦合效率的量子发射器嵌入在光子晶体波导。我们利用混合边界条件相结合的主动Dirichlet边界条件的引导模式和完美匹配层的辐射模式。以这种方式，可以确定从量子发射器到周围环境的泄漏，并且可以量化耦合到辐射模式的光谱和空间依赖性。耦合效率的空间图，即$β$因子，揭示了即使对于中等慢的光，也可以实现接近1的$β$，其对于发射器在波导中的位置是非常鲁棒的。结果表明，光子晶体波导是实现单光子和单量子发射体确定性对接的合适平台，在光子量子技术中具有广泛的应用前景。
2017-05-02 physics.optics quant-ph
Multimode waveguide crossing based on square Maxwell's fisheye lens
模分复用（MDM）是一种新兴的大容量数据通信技术，利用正交导模作为独立的数据流。MDM系统中多模波导路由的挑战之一是减少波导交叉点的模式泄漏。本文基于准共形变换光学原理，设计了一种方形麦克斯韦接目镜作为波导交叉介质，并在绝缘体上硅平台上实现。采用两种方法实现了所设计的透镜：渐变光子晶体和改变硅平板波导的厚度。三维数值模拟结果表明，所设计的多模波导交叉点具有1260 ~ 1675 nm的超宽带宽，占用空间仅为$3.77 \times 3.77 μm^2$。对于前三个横电模式$(TE_0, TE_1, \: and \: TE_2)$，所设计的波导交叉分别表现出0.24、0.55和0.45 dB的平均插入损耗和小于-72、-61和-27 dB的串扰，以及54、53和30 dB的最大回波损耗。所设计的波导交叉支持低失真脉冲传输，高保真度因子为0.9857。此外，所提出的方法可以扩展到通过增加透镜的尺寸来设计具有更高数量的支持模式的波导交叉。
2019-06-05 physics.app-ph physics.optics
Extending Single Molecule Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Range Beyond 10 Nanometers in Zero-Mode Waveguides
单分子Förster共振能量转移（smFRET）被广泛用于在分子水平上监测构象和相互作用动力学。然而，常规的smFRET测量在供体-受体距离超过10 nm时是无效的，阻碍了对更大尺寸的生物分子的研究。在这里，我们表明，零模波导（ZMW）孔径可以用来克服10 nm的障碍smFRET。使用优化的ZMW结构，我们证明了标准商业荧光团之间的smFRET高达13.6 nm的距离，具有显着提高的FRET效率。为了进一步突破经典的FRET范围限制，将ZMW与具有多种受体染料的分子构建体组合，以实现高FRET效率以及高荧光计数率。当我们讨论定量smFRET测量ZMW内的一般准则，该技术可以很容易地应用于监测大分子复合物的构象和相互作用与增强的亮度。
2019-07-08 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.optics
Low-loss waveguides on Y-cut thin film lithium niobate: towards acousto-optic applications
研究了Y切Li_2O_3/绝缘体基片中光子波导的传播损耗与埋氧层厚度的关系，以确定声-光器件中光损耗与机电耦合之间的折衷关系。模拟结果表明，较厚的氧化层降低了波导损耗，但降低了声表面波器件的机电耦合系数。利用氩等离子体刻蚀技术制作了不同长度的跑道形光腔，实验提取了波导损耗。当氧化层厚度从1 μm增加到2 μm时，2 μm（1 μm）宽波导的传输损耗从1.85 dB/cm（3 dB/cm）降低到0.37 dB/cm（0.77 dB/cm），谐振腔的品质因数大于100万。大约1.5 μm的氧化物厚度足以显著降低由于泄漏到衬底中而引起的传播损耗，同时在声学器件中获得良好的机电耦合。这项工作不仅提供了关于在锂氧化物中设计和实现低损耗光子波导的见解，而且最重要的是提供了关于氧化物厚度如何直接影响损耗的实验证据，并指导其选择用于在绝缘体上Y切割锂氧化物中合成高性能声光器件。
2019-03-07 physics.app-ph physics.optics
Generating 10-GHz phonons in nanostructured silicon membrane optomechanical cavity
硅纳米光子波导中光子和声子的灵活控制是通信、传感和量子技术中新兴应用的关键特征。强声子漏向二氧化硅下包层阻碍了绝缘体上硅的光机械相互作用。通过完全或部分去除二氧化硅下包层以形成基座或硅膜波导，已经规避了这种限制。显著的光机械相互作用已被证明在硅中使用基座条，膜肋，和光子/声子晶体膜波导。尽管如此，机械频率仍限于1-5 GHz范围。在这里，我们利用周期性纳米结构的硅薄膜光栅的形状GHz的声子模式和近红外光子模式，同时实现机械频率（10 GHz）和强的光子-声子重叠（61.5%）。基于这一概念，我们实验证明了一个一维光机械微谐振器的高机械频率为10 GHz和品质因数为1000。这些结果是在室温和环境条件下获得的，腔内光功率低于1 mW，说明所提出的方法能够实现机械模式的有效光学驱动。
2021-03-26 physics.optics
Topological insulators in longitudinally driven waveguides: Lieb and Kagome lattices
利用紧束缚近似方法研究了拓扑绝缘体，其中每个单胞具有三个晶格位置。两种情况下被认为是详细：Lieb和Kagome格。晶格被分解成三个子晶格，每个子晶格都允许彼此独立地移动。重点放在沿传播方向的激光蚀刻的螺旋线圈诱导的周期性驱动。线性Floquet带被构造为不同的子晶格间旋转模式，如：不同的半径，不同的频率，相位偏移和准一维运动。根据能带结构的性质，发现具有非零陈数的体光谱带支持拓扑保护的边缘状态，可以单向移动。在这种情况下，由于底层拓扑保护，模式在缺陷周围无散射地移动。有趣的模式动力学被发现，包括双向拓扑模式和散装边缘泄漏，即激发体模在缺陷的边缘模式附近的体带的色散频率。最后，某些非线性边缘模式也被发现单向传播和散射周围的晶格缺陷。
2019-03-09 nlin.PS physics.optics
Collection of fluorescence from an ion using trap-integrated photonics
本文提出一种利用陷阱集成光子学收集捕获离子荧光的方法，通过波导集成光栅将光子耦合至单模，实现被动相位稳定、高效操纵与可重复性，为大规模量子态生成与测量奠定基础。
2025-05-02 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
A transparent waveguide chip for versatile TIRF-based microscopy and nanoscopy
全内反射荧光显微镜（TIRF）能够对细胞表面和其他薄样品进行低背景、活细胞友好的成像，这要归功于倏逝光场对样品的浅穿透。与基于透镜的TIRF相比，在光波导芯片上实现TIRF（c-TIRF）克服了放大率和视场（FOV）的历史限制，并且进一步允许以复杂的图案引导光，所述图案可用于先进的成像技术或样品的选择性刺激。然而，芯片本身的不透明性迄今为止阻碍了它们在倒置显微镜上的使用以及复杂的样品制备和处理。在这项工作中，我们介绍了一种新的平台，用于c-TIRF成像的基础上，透明基板，这是完全兼容的样品处理和成像程序通常使用的标准#1.5玻璃盖玻片，并使用标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，可以很容易地扩大规模进行大规模生产。我们证明了其性能的合成和生物样品使用直立和倒置显微镜，并显示它如何可以扩展到超分辨率应用，实现116 nm的分辨率使用超分辨率径向波动（SRRF）。这些新芯片保留了基于不透明芯片的TIRF的可扩展FOV和TIRF的高轴向分辨率，并且具有与许多不同物镜、显微镜方法和处理技术一起使用的多功能性。因此，我们认为c-TIRF是一种被广泛采用的技术，增加了TIRF对用户的可访问性和可以从中受益的应用范围。
2020-07-01 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
