Exploiting metamaterials, plasmonics and nanoantennas concepts in silicon photonics
光与亚波长金属纳米结构的相互作用是当前不同科学热点的核心，即等离子体，超材料和纳米天线。在过去的十年中，这些学科的研究已经产生了新的，强大的概念，提供了前所未有的程度的控制光操纵在纳米级。然而，直到最近，这些概念才被用于增加当前光子集成电路（PIC）中的光处理能力，传统上，光子集成电路仅依赖于元件尺寸大于光波长的电介质材料。在不同的PIC平台中，硅光子学有望成为主流，因为使用成熟的CMOS工艺制造能够大规模生产低成本PIC。在这篇综述中，我们讨论了引入超材料，等离子体和纳米天线领域的最新概念到硅光子集成平台的好处。我们回顾了这一方向的现有工作，并讨论了这种混合方法如何能够改善目前的PIC，使新的和破坏性的光子学应用。
2020-01-07 physics.app-ph physics.optics
Nanophotonic Optical Switching Using Digital Metamaterials and Photochromism
光开关是集成光子学的重要组成部分。在这里，我们设计，制造和表征了几个纳米光子光开关（NOS）在硅，具有超紧凑的足迹，以及出色的消光比和工作带宽。模拟结果表明，我们的最佳器件尺寸为3um × 3um，器件高度为0.3um，可以提供约10dB的消光比，带宽为12nm，中心波长为1550nm。三维有限差分时域分析结合直接二分搜索算法的修改版本被用来设计纳米光子器件结构。该调制是光致变色材料的折射率的光学调制和包括该装置的数字超材料的优化几何形状的结果。这些器件是CMOS制造兼容的，并且是使用多态几何优化设计的器件的示例，这将导致一类新的超紧凑和多功能有源集成硅器件。
2019-03-29 physics.app-ph physics.optics
Implementation of on-chip multi-channel focusing wavelength demultiplexing with regularized digital metamaterials
绝热波导锥和片上波分复用器是光子集成电路的关键器件。然而，这两类器件采用传统的半解析法或蛮力搜索法设计，往往尺寸较大。在这里，基于正则化的数字超材料，我们已经设计，制造和表征了一个双通道聚焦波长解复用器的足迹为2.4 × 10微米2。所设计的解复用器可以在不需要绝热波导锥的情况下直接与光栅耦合器相连。采用目标优先法和改进的最速下降法设计了一种将1520 nm和1580 nm的光从10 um宽的输入波导分束到两个0.48 um宽的输出波导的解复用器。实验结果表明，该解复用器上（下）通道的插入损耗为-1.77dB（-2.10dB），串扰为-25.17dB（-12.14dB）。此外，模拟结果还表明，器件的刻蚀深度容差可达20 nm，平面尺寸变化容差可达10 nm。受益于我们设计方法的可扩展性，我们可以设计其他类型的超紧凑型“聚焦”器件，如模式分离器，模式转换器和功率分配器，我们也可以设计具有更复杂功能的器件，例如，我们设计了一个三通道聚焦波长解复用器。
2019-08-10 physics.app-ph physics.optics
Inverse design of an all-dielectric digitized terahertz optical power splitter by particle swarm optimization method
这封信提出了一种基于数字化超材料的50：50 TE太赫兹（THz）功率分配器。该装置采用粒子群优化算法进行优化。数字化超材料的结构包含在二氧化硅衬底上沉积的硅板中的圆形空气孔。优化后的结构在0.9-1.1 THz的频率范围内插入损耗（IL）小于3.9 dB。申报器械的占地面积为400 $\times$ 350 $μ$ m $^2$。该器件具有结构紧凑、效率高、全介质、与CMOS工艺兼容等优点。该器件可以作为一个重要的组成部分，在大多数太赫兹电路路由太赫兹波。
2021-04-15 physics.app-ph physics.optics
Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip
研究展示了首个电子-光子量子片上系统（EPQSoC），通过片上反馈控制电路稳定量子相关光子对源，解决了硅量子光子集成电路对工艺和温度变化敏感的挑战，实现了高CAR和低g(2)(0)的稳定量子特性，为大规模量子信息处理提供了可扩展的解决方案。
2024-11-08 physics.optics quant-ph
Grating-graphene metamaterial as a platform for terahertz nonlinear photonics
非线性光学由于其与光学和光电技术的相关性和潜力，是科学和技术应用的一个日益重要的领域。目前，人们正在积极寻找具有有效转换和小材料足迹的合适的非线性材料系统。理想情况下，材料系统应该允许芯片集成和室温操作。二维材料在这方面非常有趣。特别有前途的是石墨烯，它在太赫兹范围内表现出非常大的非线性。然而，二维材料中的光-物质相互作用长度本质上是最小的，因此限制了整体非线性光学转换效率。在这里，我们克服了这一挑战，使用超材料平台，结合石墨烯与光子光栅结构提供场增强。我们测量太赫兹三次谐波产生在这种超材料，并获得一个有效的三阶非线性极化率的大小为3 $\cdot$ 10 $^{-8}$ m $^2$ /V $^2$，或21 esu，基频为0.7太赫兹。这种非线性比我们在没有光栅的情况下获得的石墨烯大50倍。这样的增强对应于具有由于光栅而大三个数量级的强度的三次谐波信号。此外，我们证明了场转换效率高达$\sim$ 1%的第三次谐波使用中等场强的$\sim$ 30 kV/cm。最后，我们表明，谐波超出第三次增强更强烈，使我们能够观察到高达9 $^{\rm th}$谐波的签名。因此，光栅-石墨烯超材料构成了商业上可行的、CMOS兼容的、室温的、芯片集成的THz非线性转换应用的杰出平台。
2020-09-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ultra-low loss piezo-optomechanical low-confinement silicon nitride platform for visible wavelength quantum photonic circuits
University of Arizona（亚利桑那大学）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本文提出了一种超低损耗的低约束硅氮化物平台，用于实现可见光波长的高性能量子光子电路，解决了可扩展性和主动功能的挑战。
2026-08-31 physics.optics quant-ph
Planar Scale Invariant Waveguides and Resonators with Uniform Air Confined Modes
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
基于硅基绝缘体平台的平面超材料波导与谐振器，通过亚波长光栅实现空气中的强光约束，具有高质量因子和良好的CMOS兼容性，适用于增强光-物质相互作用的应用。
2026-02-02 physics.optics
Deep UV photolithography enhanced geometric homogeneity for low loss photonic crystal waveguides
周期或梯度亚波长结构是光子晶体和超材料的基本结构。虽然数值模拟预测的损耗很小，但通过电子束光刻和标准干法刻蚀制备的光子晶体波导显示出超过10 dB的不可接受的损耗。引入几何不均匀性的纳米纤维变化被认为是有害性能的主要原因。CMOS晶圆深紫外光刻是一种大规模并行工艺，可以显著抑制与制造相关的失调，从而抑制光学线性损耗。在这里，我们展示了超低损耗光子晶体波导与300毫米多项目晶圆运行。对于亚毫米长的光子晶体W1波导，在不同的管芯上观察到2 dB总损耗和40 dB消光比的一致性能。
2021-04-12 physics.app-ph physics.optics
Broadband on-chip Half Maxwell Fisheye
Centre de Nanosciences et Nanotechnologies, CNRS, UMR 9001, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay（纳米科学与技术中心）；École Centrale de Lyon, INSA Lyon, CNRS, Université Lyon 1, CPE Lyon, INL（里昂中央理工学院）
设计并实验验证了用于硅光子学的半麦克斯韦鱼眼透镜，采用渐变光子晶体在非共振超材料模式下工作，实现了宽带聚焦，FWHM为0.466λ₀。
2026-06-29 physics.optics
Scalable photonic crystal waveguides with 2 dB component loss
本研究利用CMOS代工厂深紫外光刻大规模并行工艺抑制纳米制造几何不均匀性，实现亚毫米长光子晶体波导2 dB总损耗和40 dB消光比，展示了可扩展的超低损耗器件。
2023-05-07 physics.app-ph physics.optics
Scalable Liquid-Crystal Integrated Silicon Nitride Photonic Circuits for Reconfigurable Quantum Interference
Korea Institute of Science and Technology (KIST)（韩国科学技术院）；Korea University（高丽大学）；Seoul National University of Science and Technology（首尔科学技术大学）；Kyung Hee University（庆熙大学）
本文提出了一种基于液晶的相位调制器，实现了高可见度的量子干涉，展示了硅氮化物平台在量子光子电路中的可扩展性和能效。
2026-05-08 physics.optics quant-ph
High-speed 4 ${\times}$ 4 silicon photonic electro-optic switch, operating at the 2 μm waveband
针对2 μm光通信波段的器件需求，研制出等离子体色散型4×4硅光子电光开关，实现纳秒级开关速度、低串扰与低功耗，丰富了该波段的高速光器件品类。
2023-07-06 physics.app-ph physics.optics
