Isolator-free Integration of C-band InAs-InP Quantum Dash Buried Heterostructure Lasers with Silicon Waveguides
采用面-面直接耦合的方法优化了InAs-on-InP量子点掩埋异质结激光器和硅片的相互集成，获得了-1.2dB的耦合效率，耦合激光器的RIN为-150dB/Hz，线宽为152 kHz。
2020-03-30 physics.app-ph physics.optics
Waveguide integrated high performance magneto-optical isolators and circulators on silicon nitride platforms
光隔离器和环行器是光子集成电路中必不可少的器件。尽管在绝缘体上硅（SOI）平台上取得了重大进展，但在氮化硅（SiN）平台上集成光隔离器和环行器的报道很少。本文报道了基于标准硅光子学铸造工艺和磁光薄膜淀积技术，在SiN平台上实现磁光隔离器的单片集成。我们成功地在SiN衬底上生长了高质量的MO石榴石薄膜，其法拉第旋转角高达-5900 deg/cm。我们显示了优越的磁光品质因数（FoM）的MO/SiN波导相比，MO/SOI的优化器件设计。我们展示了基于SiN的TM/TE模式宽带和窄带光隔离器和环行器，具有高隔离比、低串扰和低插入损耗。特别是，我们观察到1 dB的插入损耗和28 dB的隔离比在SiN赛道谐振器为基础的隔离器在1570.2 nm波长。SiN的低热光系数也确保了器件的优异温度稳定性。我们的工作为在SiN平台上集成高性能非互易光子器件铺平了道路。
2020-08-26 physics.app-ph physics.optics
Kerr-type nonlinear optical isolators bypassing dynamic reciprocity
无磁光隔离器是实现集成光学系统的关键器件。无源非线性光隔离器的基本物理原理不仅仅是在不需要任何外部偏压的情况下打破洛伦兹互易性。事实上，克尔型非线性光隔离器的一个主要障碍是所谓的动态互易性，其严重后果是在存在前向强信号的情况下不能隔离后向信号。在这项工作中，我们提倡速度选择性非线性的新概念，绕过这种动态互惠。在非对称腔中使用具有温暖铷原子的原理验证平台，我们在实验上实现了在存在强前向信号的情况下后向信号的隔离，实验观察与我们的理论模拟一致。因此，这项工作是走向克尔型无源光隔离器的重要一步。
2020-10-17 physics.optics
A passive bias-free ultrabroadband optical isolator based on unidirectional self-induced transparency
本研究提出一种基于单向自感应透明机制的无源无偏置超宽带全光隔离器，无需增益与外部偏置，可实现飞秒脉冲的高对比度宽带隔离，性能媲美磁光隔离器，为集成非磁超短脉冲隔离提供新路径。
2022-12-05 nlin.PS physics.optics
A CMOS compatible microring-based on-chip isolator with 18dB optical isolation
我们在输入输出耦合系数不对称的微带分插滤波器中证明了强的光学非互易性。使用半径为5微米的绝缘体上硅高Q值微晶体实现了高达18dB的隔离。
2010-07-07 physics.optics
Comment on "Nonreciprocal Light Propagation in a Silicon Photonic Circuit" in Science 333, 729-733 (2011)
在Feng等人[Science 333，729-733（2011）]的最近文章中，提出了一种具有折射率和吸收的周期性空间调制的系统。该系统具有非互易性，可用作光隔离器。作者使用了一个非传统的定义的互易性，从而作出错误的结论的适用性所描述的现象的光隔离器。（2011年10月7日发表于Science）
2011-10-26 physics.optics
Magnetic-Free Silicon Nitride Integrated Optical Isolator
集成光子学使得能够使用光子集成电路（PIC）进行信号合成、调制和转换。已经开发了许多材料，其中氮化硅（Si $_3$ N $_4$）已经成为特别是用于非线性光子学的领先平台。低损耗Si $_3$ N $_4$ PIC已广泛用于频率梳产生、窄线宽激光器、微波光子学、光子计算网络，甚至表面电极离子阱。然而，在Si $_3$ N $_4$集成光子学的所有已展示功能中，尚未实现光学非互易装置，例如隔离器和循环器。传统上，它们是基于磁光材料在外部磁场下的法拉第效应来实现的。然而，集成不与CMOS兼容并且需要庞大的外部磁体的磁光材料一直具有挑战性。在这里，我们展示了一个无磁光隔离器的基础上氮化铝（AlN）压电调制器单片集成在超低损耗硅$_3$ N $_4$ PIC。透射互易性通过Si $_3$ N $_4$微谐振器与三个AlN体声波谐振器的时空调制被打破，所述三个AlN体声波谐振器用旋转相位驱动。这种设计产生了一种有效的旋转声波，允许在一对强耦合的光学模式之间仅在一个方向上进行间接带间跃迁。在施加到每个致动器的100 mW RF功率下实现最大10 dB隔离，最小插入损耗为0.1 dB。隔离度在近30 dB的光输入功率动态范围内保持恒定，表现出出色的光学线性。我们的集成、线性、无磁、电驱动光学隔离器可以成为集成激光器、芯片级LiDAR引擎以及超导电路光学接口的关键构建模块。
2021-05-03 physics.app-ph physics.optics
Wafer-scale monolithic integration of Ce:YIG films and magneto-optical isolators on silicon
National Engineering Research Centre of Electromagnetic Radiation Control Materials, University of Electronic Science and Technology of China（电磁辐射控制材料国家工程研究中心，电子科技大学）；Key Laboratory of Multi-spectral Absorbing Materials and Structures of Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China（多光谱吸收材料与结构教育部重点实验室，电子科技大学）；Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院光电技术研究所）；HK Institute of Quantum Science and Technology, University of Hong Kong（香港量子科学研究所，香港大学）
本研究通过射频磁控溅射法制备出4英寸晶圆级Ce:YIG薄膜，实现了硅基磁光隔离器的晶圆级集成，为相关器件应用提供了材料基础。
2026-08-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Monolithic Magneto-Optical Mach-Zehnder Isolator Using Laser-Annealed Iron Garnet on a Silicon Waveguide
Kyocera Corporation（京瓷株式会社）；Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University（东北大学电气通信研究所）
研究基于磁光石榴石的单片集成光隔离器，通过真空局部激光退火避免传统炉退火高温对芯片的损害，在硅基马赫-曾德尔干涉仪内实现Ce:YIG结晶，给出器件性能参数，证明可通过高通量技术集成热敏感硅光子器件和磁光薄膜。
2026-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Demonstration of a Chip-based Nonlinear Optical Isolator
针对集成光子学中光非互易性难题，本文首次在硅芯片上通过相位匹配参量放大实现非线性光学隔离器，利用高Q微环芯谐振器在1550纳米波长实现高非互易传输，兼容CMOS工艺，为信息处理和激光防护提供新方案。
2016-06-14 physics.optics
Optical isolators based on non-reciprocal four-wave mixing
在这项工作中，我们提出并从理论上表征光隔离器组成的全介质和非磁谐振器具有强度依赖的折射率和强相干场在一个单一的方向上传播。这样的设备可以直接在最先进的集成光子平台中实现。光学隔离的机制是基于四波混频过程的非对称作用引起的光学互易性的破坏，该过程将强传播的泵浦场与同向传播的信号/空闲模式耦合，但不与反向传播的模式耦合。利用与光流体的密切类比，我们提出的隔离机制在物理上理解为强泵浦光束顶部的集体激发的Bogoliubov色散。一些最相关的设置实现我们的建议进行了具体的调查，如相干照明无源环形谐振器和单向激光环或太极谐振器。
2022-06-14 physics.optics
Three-dimensional integration enables ultra-low-noise, isolator-free Si photonics
虽然光子集成电路（PIC）被广泛应用于电信和数据中心互连等应用中，但能够在高精度、高相干应用中取代大体积光学器件和光纤的PIC将需要超低噪声激光源与其他光子元件以紧凑和稳健的对齐格式集成在一起，即在单个芯片上。这种PIC可以为复杂的功能和批量生产提供卓越的可扩展性，并随着时间的推移提高稳定性和可靠性。然而，有两个主要问题阻碍了这种设想的PIC的实现：半导体激光器的高相位噪声，以及直接在芯片上集成光隔离器的困难。尽管PIC在尺寸、重量、功耗和成本（SWaPC）方面具有优势，但在微波合成器、光学陀螺仪和原子钟等光学系统中，它们仍然被认为是较差的解决方案。在这里，我们通过在硅光子学中引入三维（3D）集成来挑战这一惯例，从而实现超低噪声、无隔离器的PIC。通过多个单片和异构处理序列，直接片上集成的III-V增益和超低损耗（UWB）氮化硅（SiN）波导的光损耗约为0.5 dB/m。因此，演示的PIC进入一个新的制度，这样一个集成的超高Q腔降低激光噪声接近光纤激光器。此外，该腔充当任何下游片上或片外反射引起的不稳定的有效阻挡，从而消除了对光学隔离器的需要。我们进一步展示了无隔离器，广泛可调，低噪声，外差微波发电使用两个超低噪声激光器在同一个硅芯片。
2023-01-19 physics.app-ph physics.optics
Intermodal strong coupling and wideband, low-loss isolation in silicon
强耦合使得包括光存储器、非磁隔离器、光子态操纵和信号处理在内的各种应用成为可能。到目前为止，集成平台中的强耦合已经使用窄线宽高Q光学谐振器实现。相反，在这里，我们证明了两个光子带之间的宽带强耦合。在线性硅波导中，通过电驱动声子来控制间接带间光子跃迁。在大的声驱动下，系统的特点是两个波导模式之间的拉比式能量交换，表现出强耦合。当调谐到单位能量转换时，我们的系统解锁了一系列强大的应用，包括光调制器，路由器和滤波器。特别是，我们证明了一个低损耗（-2.08 dB）的声光调制器（AOM）与泵浦抑制比> 55 dB。我们还重新配置了我们的系统，以展示一个非磁性，低损耗（< 1 dB）和宽带（59 GHz 10 dB隔离带宽）的光隔离器。
2022-11-10 physics.optics
Single-photon non-reciprocity with an integrated magneto-optical isolator
非互易光子器件是经典光学信息处理的重要组成部分。研究它们在量子世界中的可行性是有趣而重要的。利用单光子非互易动态传输实验研究了片上氮化硅（SiN）基磁光隔离器的量子特性。单光子的实测隔离比为12.33 dB，这证明了我们的片上隔离器的功能。使用高可见度量子干涉进一步验证了通过的单光子的量子相干性。我们的工作将促进集成量子线路中的片上隔离器，并有助于在量子信息过程中引入新的现象。
2021-07-20 physics.optics quant-ph
Optical Isolation Can Occur in Linear and Passive Silicon Photonic Structures
片上光隔离器在基于硅集成光子结构的光通信和计算中起着关键作用。近年来，通过线性和无源光子结构隔离光引起了人们的广泛关注和激烈争议。在这里，我们分析了硅光子晶体平板异质结二极管的光隔离特性，通过比较的前向transmittance和往返反射率的面内红外光通过该结构。往返反射率比前向透射率小得多，证明了良好的隔离。线阵无源硅光二极管中面内信号光的非互易输运归因于多通道结构中的信息耗散和选择性模式转换，与互易原理不冲突。
2012-04-06 physics.optics
Critical nonreciprocity in gyrotropic coupled-waveguide system for TE-mode optical isolator and circulator
针对TE模光隔离器性能不足的问题，提出基于TMOKE耦合波导模式拍频的新原理，结合倏逝耦合硅波导与磁光效应实现非互易传播，仿真得到500μm长、20dB隔离带宽35nm的器件，助力光子电路小型化。
2025-02-21 physics.app-ph physics.optics
Realization of advanced passive silicon photonic devices with subwavelength-grating structures developed by efficient inverse design
实现超小型无源硅光子器件对于未来大规模光子集成系统的发展具有重要意义。虽然一些紧凑的硅光子器件已经被证明是通过使用反向设计，器件性能仍然不足以用于实际应用。在这里，我们提出并实现了几个代表性的超紧凑先进的无源硅光子器件与体面的性能，通过引入亚波长光栅（SWG）结构，我们的高效逆向设计方法开发。这些器件的设计是通过优化操纵多模激励和多模干涉在一个区域内定义的SWG结构。这些具有良好的特征尺寸均匀性的SWG结构比以前反向设计的光子器件中使用的那些随机纳米结构更易于制造。我们的逆设计方法的高效率是由于一种新的搜索空间维控制策略和有效的面向问题的电磁场求解器可用于SWG结构。具体地说，我们给出了6通道模（解）复用器、宽带90°混合器和两通道平顶波长解复用器的实现，这些都是以前报道的逆向设计方法难以实现的。这些设备表现出超紧凑的足迹，以及体面的性能相比，由经典理论开发的同行。
2022-12-02 physics.optics
Passive silicon nitride integrated photonics for spatial intensity and phase sensing of visible light
University of Graz（格拉茨大学）；Christian Doppler Laboratory for Structured Matter Based Sensing（基于结构物质的传感克里斯蒂安·多普勒实验室）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）
本文提出一种基于氮化硅的无源光子集成电路，通过片上干涉仪将空间相位编码为强度，实现可见光强度与相位分布的单次、宽带测量。
2024-12-19 physics.optics
All Photonic Isolator using Atomically Thin (2D) Bismuth Telluride (Bi2Te3)
本研究展示二维Bi2Te3具有强Kerr非线性，用于构建打破时间反演对称性的全光子隔离器，实现单向光传播，并扩展其在非线性光子学中的应用。
2025-08-05 cond-mat.mes-hall physics.optics
Stabilization and frequency control of a DFB laser with a tunable optical reflector integrated in a Silicon Photonics PIC
我们研究了可调谐光反馈对商业DFB激光器边缘耦合到硅光子学平面集成电路，其中可调谐反射器已通过基于环形谐振器的分插复用器实现的效果。受控的光学反馈允许对激光振荡频率进行微调。在某些条件下，它还允许抑制由芯片上其他地方发生的反射触发的分叉模式。半解析模型描述激光动力学下的组合光学反馈从输入面的边缘耦合器和可调片上反射器适合的测量。对收发器芯片上其他地方引起的反射的有害影响的补偿可以允许在未来的通信系统中向下游移动隔离器，促进硅光子芯片中的直接混合激光集成，只要可以识别用于控制系统的合适反馈信号。此外，在较低反馈电平处的光频率调谐可用于形成作为光锁相环的一部分的快速可调谐光振荡器，从而避免了注入电流控制的半导体激光器二极管的FM响应中的热到自由载流子效应交叉的问题。
2016-07-28 physics.optics
Optical Isolation with Microring Modulators
光隔离器虽然在体光和光纤系统中很常见，但仍然是集成光子系统中缺少的关键组件。由于制造限制，使用磁光效应的隔离一直难以实现，促使使用其他非互易效应，如时间调制。我们展示了一个非互易调制器，包括一对微波调制器和一个微波移相器在一个有源硅光子过程中，结合标准频率滤波器，有利于隔离。在3 dB带宽为2 GHz、插入损耗为18 dB的情况下，测量隔离度高达13 dB。由于一个潜在的应用是抑制双向通信链路中的串扰，我们还展示了通过隔离器传输4 Gbps数据信号的情况，同时保留了大开眼图。这种紧凑的设计，结合增加的调制效率，可以使基于调制器的隔离器成为集成光子代工平台组件库中的标准“黑盒”组件。
2020-07-22 physics.app-ph physics.optics
All-passive Microwave-Diode Nonreciprocal Metasurface
本研究针对微波频段非互易器件依赖笨重磁体或复杂调制的问题，提出基于可切换匹配短截线的全无源非互易方案，通过仿真和微带线集成二极管超表面实验验证其非互易传输特性，可应用于电磁防护、通信等领域。
2023-05-02 physics.app-ph physics.optics
High Energy Irradiation Effects on Silicon Photonic Passive Devices
本文研究了基于绝缘体上硅（SOI）技术的硅光子无源器件在高能中子和60 Co γ射线辐照下的辐射响应。微环谐振器（MRR）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的波长在高能中子辐照到1*1012 n/cm 2后均表现出蓝移;由于波导宽度不同，MZI器件的蓝移小于MRR。具有SiO2上包覆层的器件显示出对辐照的强耐受性。中子辐照导致光学器件的Si芯中的晶体对称性发生轻微变化，并且加速了没有SiO2包层的器件的氧化。SiO2层的2 μ m顶部包层显著提高了这些无源光子器件的辐射耐受性。
2021-12-29 physics.app-ph physics.optics
Direction-dependent Optical Modes in Nanoscale Silicon Waveguides
片上光子网络具有比电子电路更有效地传输和路由信息的潜力。近年来，已经报道了许多基于硅的光学器件，包括调制器、缓冲器和波长转换器。然而，在将这些设备组合成网络级架构之前，需要克服许多技术挑战。特别地，由于半导体波导的芯和包层之间的高折射率对比，沿着波导的纳米级缺陷通常将光散射到反向传播模式中。这些反射可能导致对光源的不希望的反馈或双向互连中的串扰，诸如光纤网络中采用的那些。通常假设这些反射波在空间上与前向传播波重叠，使得难以实现基于光的传播方向分离或衰减光的光学环行器或隔离器。在这里，我们单独识别和映射的近场模式配置文件的前向传播和反射光的单模硅波导使用基于传输的近场扫描光学显微镜（TraNSOM）。我们发现，与光纤波导，高折射率对比度和纳米尺度的半导体波导创建反向传播波与不同的空间近场分布。这些近场差异是纳米级光限制的一个以前未观察到的结果，可以为新型元件过滤反射光的前向传播提供基础。
2010-09-01 physics.optics
Ultracompact on-chip silicon optical logic gates
用于计算和信息处理的全光集成电路已经被追求了几十年，作为克服电子器件固有的速度限制的潜在策略。然而，可行的片上集成逻辑单元和器件仍然受到其尺寸、质量、可扩展性和可靠性的限制。在这里，我们展示了全无源片上光学与门和与非逻辑门，由一个定向发射腔连接两个超小型光子晶体异质结二极管。测量的透射谱显示出大于10dB的对比度的逻辑传输与高相位公差，同意以及与数值模拟。线性，无源，超紧凑的硅光学逻辑门的建设可能铺平了道路，为未来的光计算技术构建新型纳米光子片上处理器架构。
2012-10-23 physics.optics
III-V semiconductor nano-resonators-a new strategy for passive, active, and nonlinear all-dielectric metamaterials
由介质谐振器组成的超材料由于其低的本征损耗和各向同性的光学响应而引起了人们的广泛关注。特别地，由硅介电谐振器制成的超颖表面已经显示出期望的行为，诸如有效的非线性光学转换、光谱滤波和先进的波前工程。为了进一步探索电介质超材料的潜力，我们提出了由外延生长的III-V族半导体制造的全电介质超材料，其可以利用III-V族半导体的高二阶光学可折射率，以及单片集成有源/增益介质的容易性。具体而言，我们使用选择性湿氧化工艺来创建GaAs纳米谐振器，该工艺形成低折射率AlGaO（n~1.6）下层，类似于使用绝缘体上硅晶片形成的硅介电谐振器。我们进一步使用相同的制造工艺来展示多层III-V介质谐振器阵列，为我们提供了新的器件工程自由度。对于这些阵列，我们在实验上测量~100%的反射率在一个广泛的光谱范围。我们设想，全介质III-V族半导体超材料将为无源、有源和非线性全介质超材料开辟新的途径
2016-05-01 physics.optics
Comparison of Lumerical FDTD and Tidy3D for three-dimensional FDTD simulations of passive silicon photonic components
该研究在 SOI 平台上以六种无源硅光子器件为对象，在匹配条件下基准比较 Lumerical FDTD 与 Tidy3D 的精度、运行时间及宽带表现，结果显示二者均可靠且差异极小。
2025-08-30 physics.app-ph physics.optics
Heterogeneous back-end-of-line integration of thin-film lithium niobate on active silicon photonics for single-chip optical transceivers
本研究通过异质后端工艺集成薄层 lithium niobate 与活性硅光子学，实现单芯片高带宽、低功耗的光学收发器集成。
2025-12-08 physics.optics
A thulium-silicon hybrid microdisk laser
硅光子技术通过利用几十年来为集成硅电子器件开发的材料和先进制造方法，实现了紧凑，低功耗和成本效益的芯片上光学微系统。硅代工厂现在提供高性能光学电路所需的许多标准构建模块，包括光波导、滤波器和多路复用器等无源元件以及高速调制器、开关和光电探测器等有源光电元件。然而，由于硅是一种较差的发光材料，因此片上光源仍然是代工产品的重大挑战。目前的光源集成方法被认为是复杂的，需要不兼容和/或昂贵的材料和处理步骤。在这里，我们报告了一个超紧凑的硅光子激光器组成的铥-硅混合微盘谐振器。微盘的设计是简单的，并与所有硅光子铸造厂可用的制造步骤和器件尺寸兼容，而增益介质是在后端（最后一步），室温溅射沉积中添加的。这种方法允许低成本和大批量的晶圆级制造以及光源与硅无源和有源器件的共集成，而不需要对标准工艺流程进行调整。混合激光器在1.6 μ m左右的标准电信波长下泵浦，发射约1.9 μ m，这是一个新兴的光谱区域，对通信，非线性和量子光学以及硅上的传感非常感兴趣。
2021-04-21 physics.optics
Semiconductor laser mode locking stabilization with optical feedback from a silicon PIC
半导体锁模激光器可用于从WDM通信系统的多载波源到计量学的时基基准的各种应用中。然而，它们在紧凑的芯片或模块级系统中的封装仍然受到其对背反射的强烈敏感性的负担，从而迅速破坏锁模的相干性。在这里，我们调查的锁模激光器直接边缘耦合到硅光子集成电路的稳定，与移动隔离器下游的光子电路的输出的目的。一个2.77 kHz的3 dB的RF线宽，大大改善相比，自由运行的激光器的15.01 kHz，在最好的情况下获得。即使在存在来自光子电路的有害反射的情况下，也实现了从20 kHz到8.82 kHz、从572 kHz到14.8 kHz以及从1.5 MHz到40 kHz的显著线宽减小。
2019-05-14 physics.app-ph physics.optics
CMOS compatible athermal silicon microring resonators
硅光子学有望缓解现代计算系统的带宽瓶颈。但是硅光子器件的基本问题是由于硅的高热光（TO）系数而对环境温度波动高度敏感。迄今为止提出的克服这个问题的大多数方法要么需要显著的功耗，要么采用不兼容CMOS的材料。在这里，我们展示了一类新的光学器件，这是被动的温度补偿的基础上定制的硅波导中的光模式限制。我们展示了硅光子谐振器在大于80度的非常宽的温度范围内的操作。这项工作背后的基本原理可以扩展到其他光子结构，如调制器，路由器，交换机和滤波器。
2009-12-04 physics.optics
Passive Silicon Nitride On-Chip Polarimetry: Precise Polarization Detection with Imperfect Components
本研究提出了一种基于硅氮化物芯片的被动光子集成电路，利用紧凑的偏振分裂光栅耦合器和干涉仪实现精确偏振检测，并通过校准程序克服制造缺陷带来的影响。
2025-12-03 physics.app-ph physics.optics
On-chip optical diode based on silicon photonic crystal heterojunctions
光隔离是集成光子学长期追求的目标，也是一个基本的困难。作为实现这一目标的一步，我们展示了设计，制造和表征的芯片上的波长级的光学二极管是由两个不同的硅二维正方形晶格光子晶体平板之间的异质结的方向带隙失配和不同的模式转换。测得的透射谱显示出相当大的单向传输行为，与数值模拟结果吻合良好。利用全介质、无源和线性硅光子晶体结构实现片上光学二极管的实验研究，将有助于构造无非线性和无磁性的片上光学逻辑器件，为光子计算机的发展开辟道路。
2011-10-26 physics.optics
Polymer-based Hybrid Integrated Photonic Devices for Silicon On-chip Modulation and Board-level Optical Interconnects
信息流量的加速增长要求光接入网络系统的扩展，这需要降低光和光子组件的成本。低成本、易于制造和低光损耗聚合物的集成能力使它们在光子应用中具有吸引力。除了无源波导元件之外，由掺杂有有机非线性发色团的聚合物基质组成的电光（EO）聚合物已经实现了宽RF带宽和低功率光调制器。除了板级无源和有源光学元件外，通过将EO聚合物混合集成到硅平台上，还可以实现紧凑的片上调制器（100微米到几毫米）。本文综述了聚合物基光调制器和光互连的一些最新进展。提出了一种用于模拟光链路的高线性、宽带定向耦合器调制器和用于片上应用的紧凑、低功率硅/聚合物混合缝隙光子晶体波导调制器。最近，在柔性衬底上的电子和光子系统的具有成本效益的卷对卷制造已经引起了人们的兴趣。一个低成本的压印/喷墨印刷马赫-曾德尔调制器和板到板的光学互连使用微透镜集成45度镜耦合器兼容的卷到卷制造平台。
2014-03-01 physics.optics
On-Chip Integrated Quantum-Dot Silicon-Nitride Microdisk Lasers
在直径为7μm的无源SiN输出波导上实现了SiN-QD混合微激光器，并获得了27 μ Jcm-2的低阈值密度。从SiN/QD/SiN堆叠开始的新设计和独特的加工方案提供了长期稳定性，并有助于深入激光表征。这种方法为光通信、芯片实验室、气体传感以及潜在的片上腔量子电动力学和量子光学开辟了新的途径。
2019-01-18 physics.optics
Inverse-designed photonic circuits for fully passive, bias-free Kerr-based nonreciprocal transmission and routing
隔离器和环行器等非互易器件是微波和光频通信系统的关键使能技术。虽然基于磁效应的非互易器件可用于自由空间和光纤通信系统，但它们的片上集成一直具有挑战性，主要是由于伴随的高插入损耗、弱磁光效应和材料不兼容性。我们表明，克尔非线性谐振器可用于实现全无源，低损耗，无偏置，宽带非互易传输和路由应用在光子系统，如芯片级激光雷达。多端口非线性Fano谐振器被用作基于频率梳的距离测量的片上全光路由器。由于时间反演对称性对单个非线性谐振器的工作功率范围和传输施加了严格的限制，因此我们实现了级联的Fano Lorentzian谐振器系统，该系统克服了这些限制，并显着改善了当前最先进设备的插入损耗，带宽和非互易功率范围。这项工作提供了一个平台无关的设计，非互易传输和路由，非常适合光子集成。
2019-05-13 physics.app-ph physics.optics
Self-induced passive nonreciprocal transmission by nonlinear bifacial dielectric metasurfaces
打破洛仑兹互易定律是一个不平凡的任务，因为它通常需要庞大的磁铁或复杂的时间调制动态技术来完成。在这项工作中，我们提出了一个简单而紧凑的设计，非线性双面介质metasurface实现强大的自诱导无源非互易传输，而无需使用外部偏置。所提出的设计是自由空间光学应用的理想选择，可以在两种入射偏振下工作，并且需要非常低的输入激发功率来达到非互易机制。它是由两个被动的硅基超颖表面表现出法诺和洛伦兹共振嵌入在一个玻璃基板。高度不对称的场增强实现与建议的设计，导致在低激发强度，由于大的克尔非线性硅强非互易性。此外，级联设计，提出了进一步改善插入损耗，扩大非互易强度范围，并通过提高传输对比度，提高隔离比。最后，它表明，所提出的非线性超颖表面是强大的制造缺陷，可以实现较大的隔离相对较宽的输入功率范围内，即使在两个入射波同时从两个方向冲击的情况下。目前的工作预计将导致新的紧凑型非互易纳米光子器件，如全光二极管，隔离器，环行器，和敏感的光学元件的防反射保护层。
2020-04-16 physics.app-ph physics.optics
Fully passive monolithic silicon quantum photonic circuit for entangled photon-pair generation
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, CNRS（巴黎萨克雷大学国家科学研究中心纳米科学和纳米技术研究中心）；Université Côte d’Azur, CNRS, Institut de Physique de Nice (INPHYNI)（蔚蓝海岸大学法国国家科学研究中心尼斯物理研究所）；CEA-LETI-Minatec（法国原子能和替代能源委员会技术、电子与信息技术实验室）
本研究展示了一种无需主动调谐的全集成硅基量子光子对源，通过微环谐振器、布拉格滤波器和模态插分复用滤波器实现高量子性能，解决了硅基量子光子电路扩展中的关键瓶颈。
2026-09-28 physics.optics quant-ph
Demonstration of an erbium doped microdisk laser on a silicon chip
利用硅基片上的$\mathrm{SiO_{2}}$微盘谐振器实现了掺铒微激光器。无源微盘谐振器表现出回音壁型（WGM）模式，具有高达$6\times{10^{7}}$的固有光学品质因子，并且使用MeV离子注入掺杂有三价铒离子（峰值浓度$\mathrm{\sim3.8\times{10^{20}cm^{-3})}}$）。通过使用锥形光纤实现了与微盘谐振器的基波WGM的耦合。在1450 nm处泵浦$^{4}% I_{15/2}\longrightarrow$ $^{4}I_{13/2}$铒跃迁时，在1550 nm波段观察到从自发发射到受激发射的逐渐跃迁。泵浦输出功率关系的分析产生43 $\mathrmμ$ W的泵浦阈值，并允许测量自发发射耦合因子：$β\approx1\times10^{-3}$。
2006-08-27 physics.optics
Passive Bias-Free Nonreciprocal Metasurfaces Based on Nonlinear Quasi-Bound States in the Continuum
该研究利用硅三阶非线性和q-BICs，设计面外不对称与面内对称破缺结合的超薄自由空间超表面，实现超过10 dB非互易透射且插入损耗低于3 dB。
2022-10-23 physics.optics
High-channel-count 20 GHz passively mode locked quantum dot laser directly grown on Si with 4.1 Tbit/s transmission capacity
低成本、小尺寸、高效率和可批量生产的片上波分复用（WDM）光源是未来硅电子和光子集成电路（EPIC）中的关键部件，其可以满足快速增加的带宽和较低的每比特能量要求。本文首次报道了生长在互补金属氧化物半导体（001）基片上的20 GHz高通道数低噪声被动锁模量子点激光器。该激光器在O波段具有宽的锁模区。测量了82.7 fs（4 - 80 MHz）的创纪录低定时抖动值和1.8 kHz的窄RF 3 dB线宽。该梳的3dB光带宽为6.1nm（包含58条线，其中80条线在10 dB带宽内）。在10 MHz ~ 10 GHz频率范围内，全谱和单波长信道的积分平均相对强度噪声值分别为-152 dB/Hz和-133 dB/Hz。利用64个信道，通过采用32 Gbaud Nyquist四电平脉冲幅度调制格式实现了每秒4.1太比特的总传输容量。所展示的性能使该激光器成为未来大规模硅EPIC中多太比特/秒光互连的引人注目的片上WDM源。
2018-12-11 physics.app-ph physics.optics
All-Optical Spiking Neuron Based On Passive Micro-Resonator
针对现有光学神经元依赖有源器件难集成、纳米腔可激发行为缺乏系统研究的问题，提出通用耦合模理论模型，实现了具备三大核心特征的无源微谐振器全光学脉冲神经元，为全光脉冲神经网络铺路。
2019-11-06 physics.optics
Silicon-organic hybrid thermo-optic switch based on a slot waveguide directional coupler
我们提出并展示了一个被动偏置的2 × 2热光开关，具有高功率效率和快速的响应时间。该器件利用了槽波导模的高集中光场和双折射液晶（NLC）包层的强热光效应。NLC填充纳米槽区域，并由内部的亚波长光栅对准。测得的功耗和热时间常数分别为0.58 mW和11.8微秒，对应于6.8的品质因数。提出的硅-有机混合器件为设计具有低功耗和快速操作速度的热光致动器提供了一种新的解决方案。
2022-08-02 physics.app-ph physics.optics
High Density Vertical Optical Interconnects for Passive Assembly
光学器件和电子器件的共同封装为实现超过50 Tbps的架顶式交换机封装提供了一条潜在的途径。在共同封装设计中，带宽、成本和能量的缩放由每个封装的光收发器（TxRx）的数量控制，而不是晶体管收缩。由于光学元件相对于其电子元件的占用面积较大，因此在共同封装的光学器件设计中光学TxRx芯片的垂直堆叠将成为必要。因此，高效、密集和宽对准容差的芯片到芯片光耦合器的开发将成为持续TxRx扩展的支持技术。在本文中，我们提出了一种新的方案，垂直耦合到标准的220 nm绝缘体上的硅波导从220 nm氮化硅玻璃波导使用重叠，反向双锥。使用Lumerical的3D有限差分时域解算器解算器的仿真结果被呈现，证明对于1 $μ$ m的芯片间间距、大约$\pm$ 2.7 $μ$ m的1 dB垂直和横向对准容差、大于300 nm的1 dB带宽，以及分别约为2.3度和0.4度的1dB扭曲和倾斜容限。这些结果表明，我们的耦合器用于需要高性能，高密度，CMOS兼容的平面外光学连接的共同封装设计的潜力。
2022-06-18 physics.app-ph physics.optics
Low-loss, silicon integrated, aluminum nitride photonic circuits and their use for electro-optic signal processing
光子小型化要求线性和非线性光学元件的无缝集成，以同时实现无源和有源功能。在现有的材料系统中，硅光子学在光信号处理和片上光网络方面具有巨大的前景。然而，硅限于1100 nm以上的波长，并且不提供用于有源信号处理的期望的最低阶光学非线性。在这里，我们报告的集成氮化铝（AlN）薄膜在硅衬底上带来积极的功能，芯片级光子学。使用CMOS兼容的溅射薄膜，我们制作AlN绝缘体波导，表现出低传播损耗（0.6 dB/cm）。利用AlN固有的普克尔斯效应，我们展示了高达4.5 Gb/s的电光调制，具有非常低的能耗（低至10 fJ/bit）。AlN器件的超宽透明窗口还可以在可见光波长下实现高速调制。我们的低成本、宽带、无载波光子电路有望在微处理器芯片级实现超低功耗和高速信号处理。
2014-01-20 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
An Integrated Optical Circuit Architecture for Inverse-Designed Silicon Photonic Components
在这项工作中，我们展示了一个紧凑的工具包，逆向设计的拓扑优化的硅光子器件，以即插即用的方式排列，实现许多不同的光子集成电路，包括无源和有源，每个都具有很小的足迹。绝缘体上硅1550 nm工具包包含一个2x2 3dB分合器，一个2x2波导交叉和一个2x2全前向分插谐振器。利用热光效应、相变包层、自由载流子注入等技术，该谐振腔可以成为一个2 × 2的电光交叉开关。对于本工作中演示的十个电路中的每一个，光子器件工具包使紧凑的电路能够实现低插入损耗和低串扰。通过采用复杂的逆向设计方法，可以使每个单独器件的设计结构、形状和尺寸更加灵活，以更好地适应更大电路的架构。对于一个紧凑的架构，我们提出了一个统一的，并行的波导电路框架，其中的设备被设计成无缝地适应，从而实现低复杂度的电路设计。
2022-11-16 cs.ET physics.optics
Strong self-induced nonreciprocal transmission by using nonlinear PT-symmetric epsilon-near-zero metamaterials
非互易传输是单向波传播现象背后的基本过程。在我们的工作中，一个紧凑和实用的宇称时间（PT）对称的超材料设计的基础上，两个碳化硅（SiC）介质由一个空气隙和光子掺杂的增益和损耗缺陷。我们证明了一个例外点（EP）是在这个PT对称系统中形成的SiC作为一个实用的ε近零（ENZ）材料时，并考虑到其适度的光损耗。此外，甚至更重要的是，由于非线性克尔效应，在稍微偏离EP的频率处激发强自感非互易传输，但不破坏PT对称相位。从一个方向的透射率是完全一致的，而从另一个方向的透射率降低到非常低的值，实现非常高的光学隔离。与无源非线性非互易谐振器相比，所提出的有源非线性超材料克服了非互易性的基本物理界限。强烈的自感非互易传输来自于从相反入射方向激发时实现的极端非对称场分布。缺陷中电场的显著增强有效地降低了触发所呈现的非线性响应所需的光功率。这项工作可以有大量的应用，如用于保护源或其他敏感设备免受外部脉冲信号，循环器和隔离器的非互易性涂层。
2020-03-03 physics.optics
Integrated Silicon Photonic Multichannel Optical Hybrid for Broadband Parallel Coherent Reception
提出一种单片集成硅光子多通道90度光混频器，以无源波分复用和MZI滤波器实现34端口宽带并行相干接收，并实验验证高均匀性、低功耗与Tb/s级通信性能。
2025-09-30 physics.optics
A silicon photonics feed-forward neural network for nonlinear distortion mitigation in an optical link
我们设计和建模了一个单层的，无源的，全光硅光子学神经网络，以减轻光链路的非线性。网络节点由硅微谐振器组成，其传递函数已被实验测量。微环的非线性响应的透射振幅和相位图都被参数化为波长和信号功率的函数，以形成复值网络中的单个节点的可调谐激活函数。网络的训练是通过粒子群优化算法来实现的，该算法选择了复杂的权值和激活函数。我们证明了一个单一的前馈层与一个单一的节点感知器是有效的补偿线性和非线性失真在很宽的范围内的信号噪声比和传播长度。我们建议实现这个简单的神经网络作为光链路透明层，以纠正信号失真。
2021-02-26 eess.SP physics.optics
A silicon integrated microwave photonic beamformer
基于光真时间延迟线（OTTDL）的光波束形成网络（OBFN）是解决传统相控阵天线（PAA）波束偏斜带来的带宽限制的有效途径。在这里，我们报告了第一个单片1x 8微波光子波束形成器的基础上，可切换OTTDL的绝缘体上硅平台。该芯片由一个调制器、一个8通道OBFN和8个光电探测器组成，总共包括数百个有源和无源元件。它具有从8到18 GHz的宽工作带宽，比电子PAA大近两个数量级。基于具有测量的RF响应的波束图案计算，波束可以被转向到-75.51°至75.64°范围内的31个可区分的角度。光束转向的响应时间为56 μs。这些结果代表了实现集成微波光子波束形成器的重要一步，可以满足未来雷达和无线通信系统的紧凑尺寸和低功耗要求。
2020-08-02 physics.app-ph physics.optics
High-resolution and ultra-low power nonlinear image processing with passive high-quality factor metasurfaces
本文提出一种利用硅纳米天线阵列的无源全光非线性图像处理方法，通过高Q值导模共振实现低至0.1 mW/μm^2的强度阈值和1.85 μm分辨率，为超低功耗图像传感提供新途径。
2025-04-03 eess.IV physics.optics
Optical Waveguide-Pair Design for CMOS-Compatible Hybrid III-V-on-Silicon Quantum Dot Lasers
本文提出了一种新型III-V-on-Silicon量子点激光器设计，通过优化220纳米厚硅波导实现与CMOS技术的兼容性，提升1.3微米激光器的能效与紧凑性。
2025-11-20 cond-mat.other physics.optics
A Heterogeneous 200 mm Silicon Nitride Photonics Platform for Visible-to-Near-Infrared Applications via Micro-Transfer Printing
imec；Ghent University（根特大学）；Ferdinand-Braun-Institut (FBH)（费迪南德·布劳恩研究所）
该研究开发了一款200毫米CMOS中试线制备的异质氮化硅光子学平台，通过微转移印刷集成有源组件，实现了低损耗特性与近红外激光发射，可支撑可见光至近红外波段的光子学应用。
2026-08-04 physics.optics
Nanoscale optical nonreciprocity with nonlinear metasurfaces
本文提出一种基于硅与VO2混合纳米谐振器二维阵列的非线性超表面，利用光触发VO2相变实现无需外部偏置的纳米级宽带光学非互易性。
2024-04-23 physics.optics
