Transparent conductive oxides and low loss nitride-rich silicon waveguides as building blocks for neuromorphic photonics
提出一种结合低损耗富氮化硅波导与透明导电氧化物的新型光子平台，利用其高非线性与双稳态特性，实现完全兼容CMOS的光子存储器件，以突破电子处理限制并构建超快人工神经网络。
2023-07-31 cs.ET physics.app-ph physics.optics
Tuning Catalytic Activity and Selectivity in Photocatalysis on Dielectric Cuprous Oxide Particles
染料降解在科学界已有四十多年的历史。所有这些研究主要集中在使用由光或热驱动的催化剂来破坏各种染料。在发现了TiO2的水分解作用后，大多数研究开始关注金属氧化物。在许多催化剂中，等离子体金属纳米结构由于其被称为局域表面等离子体共振（LSPR）的特殊性质，近年来已被显着探索。然而，面对热损耗和不稳定性的多重问题，人们开始关注用于光子应用的介电中高折射率材料。这些介电材料中的大多数已经从物理学的角度进行了研究，而较少从化学角度进行研究。在这项工作中，我们专注于如何将这些材料可用于调谐选择性，通过波长依赖性的研究，通过执行亚甲蓝（MB）染料降解。
2022-11-08 physics.chem-ph physics.optics
Dielectric response of laser-excited silicon at finite electron temperature
采用绝热含时密度泛函理论（TDDFT）计算了处于电子热平衡状态的激发态晶体硅的介电响应，模拟了强激光脉冲辐照下的介电响应。介电函数的实部的特征在于由于激发的电子-空穴对在低频下的强负行为。该响应与模拟激光脉冲照射后立即在非平衡相中的电子激发的数值泵浦-探测计算吻合得相当好。与以电子有效质量和碰撞时间为拟合参数的Drude模型进行了比较。我们发现，提取的有效质量的范围为0.22-0.36和寿命的范围为1-14 fs取决于温度。短的Drude寿命表明，强阻尼是可能的绝热TDDFT，尽管没有明确的电子-电子碰撞。
2014-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
High-Speed Femto-Joule per Bit Silicon-Conductive Oxide Nanocavity Modulator
通过结合光子晶体纳米腔的大Purcell效应和透明导电氧化物的强等离子体色散效应，具有异质集成氧化铟锡（ITO）的超紧凑硅调制器可以潜在地实现前所未有的能量效率，达到每比特阿焦耳。在这篇文章中，我们报告了第一个高速硅纳米腔调制器驱动的ITO栅极，实现2.2 GHz的带宽。通断键调制的测量高达5 Gb/s，只有2 V的电压摆幅和18.3 fJ/bit的能源效率。此外，我们进行了深入的能量效率和高频模拟的纳米腔调制器的分析，揭示了半导体导电路径和累积的自由载流子和腔谐振模式之间的重叠因子发挥的关键作用。基于我们的分析，我们提出了一种策略，进一步提高调制带宽到23.5 GHz的节点匹配掺杂和降低的能量消耗的范围内的数百阿焦耳每比特。
2020-03-03 physics.app-ph physics.optics
Significant crosstalk reduction using all-dielectric CMOS-compatible metamaterials
最近的一个计算结果表明，高限制模式可以实现全介质超材料（S。贾哈尼等例如，Optica 1，96（2014））。这大大减少了介质波导之间的串扰，为高密度光子电路铺平了道路。在这里，我们通过实验证明，在一个标准的绝缘体上硅（SOI）平台上，在两个硅条形波导之间使用一个简单的超材料，导致耦合长度增加约10倍。所提出的结构可能会导致硅光子器件尺寸的显著减小。
2016-11-11 physics.optics
Investigating intrinsic silicon oxide and a lightly doped p-type layer for evolution of tail states and estimating its impact as a passivation layer in a HIT type device
本文研究硼轻掺杂对aSiO:H带尾态和缺陷态的影响，并通过器件模拟表明低缺陷氧化硅钝化层可使HIT型太阳能电池PCE达到26.4%。
2023-12-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Controlling evanescent waves using silicon photonic all-dielectric metamaterials for dense integration
在CMOS代工平台上制造的超紧凑、密集集成的光学部件对于光学信息处理和电子-光子共集成是非常期望的。然而，在硅光子器件中普遍存在的由纳米尺度限制引起的大空间范围的倏逝波导致显著的串扰和散射损耗。在这里，我们证明了各向异性全介质超材料打开了一个新的自由度，在全内反射，以缩短衰减长度的倏逝波。我们的实验表明，减少串扰大于30倍，弯曲损耗大于3倍，在密集集成，超紧凑的光子电路块。我们的原型全介质超材料波导实现了约3.7 dB/cm的低传播损耗，与硅条形波导的传播损耗相当。我们的方法标志着从干涉为基础的限制，如在光子晶体或槽波导，利用纳米级场增强的出发。其抑制倏逝波而不显著增加传播损耗的能力将为基于全电介质超材料的密集集成铺平道路。
2018-07-04 physics.optics
Electrodynamics of Conductive Oxides: Intensity-dependent anisotropy, reconstruction of the effective dielectric constant, and harmonic generation
研究了线性和非线性两种情况下电磁脉冲在氧化铟锡纳米薄膜中的传播。我们使用的本构关系来重建介质的有效介电常数，并表明，非局部效应诱导额外的吸收共振和各向异性介电响应：纵向和横向的有效介电函数沿传播方向调制不同，并显示不同的ε-近零交叉点的差异，随着强度的增加而增加。我们预测，热载流子诱导的等离子体频率的动态红移和相应的翻译的有效的非线性色散曲线，可用于预测和量化的非线性折射率的变化作为入射激光峰值功率密度的函数。我们的研究结果表明，大的，非线性折射率的变化可以发生，而不需要ε近零模式耦合等离子体共振器。在足够大的激光脉冲强度，我们预测的光学双稳态的发病，而额外的泵浦吸收共振，所产生的纵向振荡的自由电子气体的存在让位于相应的共振在第二和第三谐波光谱。一个真实的传播模型是解开在动力学中起着基础作用的基本物理机制的关键。
2020-03-02 physics.optics
Design of silicon waveguides for Kerr nonlinear optical performance with graphene oxide films
基于实验测量的氧化石墨烯（GO）薄膜的线性和非线性光学参数，对二维GO薄膜集成硅纳米线波导的克尔非线性光学性能进行了理论研究和优化。硅纳米线和高非线性GO膜之间的强模式重叠产生了显着增强的混合波导的克尔非线性。详细分析了波导几何形状和GO膜厚度对传输损耗、非线性参量和非线性品质因数的影响。结果表明，相对于裸硅纳米线，有效非线性参数和非线性FOM可分别增加52和79倍。自相位调制（SPM）引起的光谱展宽的光脉冲被用来作为一个基准来评估的非线性性能，检查之间的权衡增强克尔非线性和最小化的损失。通过优化器件参数来平衡这一点，可以实现27.8的高光谱展宽因子，是以前实验中实现的6倍多。最后，讨论了脉冲啁啾、材料各向异性、饱和吸收和SPM之间的相互作用等因素对光谱展宽的影响，并比较了GO涂层和石墨烯涂层硅波导对光谱展宽的影响。这些结果为优化二维GO薄膜集成硅波导的克尔非线性光学性能提供了有益的指导。
2021-04-12 physics.optics
Laser fabrication of crystalline silicon nanoresonators from an amorphous film for low-loss all-dielectric nanophotonics
高折射率亚波长介电纳米谐振器的概念，支持电和磁光谐振，是一个有前途的平台，波导，传感和非线性纳米光子器件。然而，纳米谐振器中的高浓度缺陷降低了它们的谐振特性，这在很大程度上取决于它们的内部损耗。因此，它似乎是不可避免的，使用最初的晶体材料的纳米谐振器的制造。在这里，我们表明，通过飞秒激光烧蚀非晶（高损耗）硅薄膜的结晶（低损耗）共振硅纳米粒子的制造是可能的。我们采用两种概念上不同的方法：最近提出的激光诱导转移和一种新的激光写入技术的晶体纳米粒子的大规模制造。通过拉曼光谱和电子透射显微镜证明了所制造的纳米颗粒的结晶性，而使用暗场光学光谱和全波电磁模拟研究了纳米颗粒的光学谐振特性。
2015-12-12 physics.optics
Graphene oxide for high performance nonlinear optics in integrated nanowires
本研究通过在硅、氮化硅等纳米光子平台集成二维氧化石墨烯薄膜，利用其高克尔非线性与低非线性吸收特性，实现三阶非线性过程显著增强，硅基平台中克尔非线性及非线性品质因数最高提升20倍，为提升集成光子器件非线性光学性能提供了有效方案。
2024-10-15 physics.optics
All-optical switch and logic gates based on all-dielectric hybrid silicon-Ge2Sb2Te5 metamaterials
提出了一种全介质混合超材料（MM），用于实现短波红外（SWIR）波段的全光开关和逻辑门。这种MM由一个硅棒和一个Ge 2Sb 2 Te 5（GST）棒对组成。利用GST从非晶态到晶态的转变，这种MM可以产生具有主动控制的电磁感应透明（EIT）类似物。在此基础上，实现了1500 nm波长的全光开关，调制深度为84%。此外，该器件还可以同时实现非、或、或三种不同的逻辑门。由于GST具有快速的相变过程，该器件具有快速的响应时间和可重构能力，在未来的光网络中具有潜在的应用前景。
2019-07-09 physics.app-ph physics.optics physics.pop-ph
Theoretical design study of FWM in silicon nitride waveguides with integrated graphene oxide films
我们从理论上研究和优化了氮化硅（SiN）波导与二维（2D）层状氧化石墨烯（GO）薄膜集成的四波混频（FWM）。基于广泛的先前测量的GO膜的材料参数，我们进行详细的分析，包括波导的几何形状，GO膜的厚度，长度和涂层的位置上的四波混频转换效率（CE）和转换带宽（CB）的设备参数的影响。讨论了GO薄膜的色散和光热变化对薄膜性能的影响。由于SiN波导和高非线性GO膜之间的强模式重叠，混合波导中的四波混频可以显著增强。我们与之前的实验结果取得了良好的一致性，并表明通过优化器件参数来平衡克尔非线性和损耗之间的权衡，FWM CE可以提高高达~20.7 dB，FWM CB可以提高~4.4倍，相对于未涂覆的波导。这些结果突出了通过集成2D分层GO膜可以在SiN波导中实现的显著增强的FWM性能。
2021-02-14 physics.optics
Sub-Volt High-Speed Silicon MOSCAP Microring Modulator Driven by High Mobility Conductive Oxide
提出一种硅与高迁移率导电氧化物异质集成的MOSCAP微环调制器，实现0.8V驱动、117pm/V效率及25Gb/s传输，有望优化至100Gb/s。
2023-08-30 physics.app-ph 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
Enhanced spectral broadening via self-phase modulation with femtosecond optical pulses in silicon nanowires integrated with 2D graphene oxide films
实验研究了飞秒光脉冲在集成了二维氧化石墨烯（GO）薄膜的绝缘体上硅（SOI）纳米线波导中传输后的光谱展宽。由于SOI纳米线和具有高克尔非线性的GO膜之间的强模式重叠，混合波导中的自相位调制（SPM）过程被显著增强，从而大大改善了飞秒光脉冲的光谱展宽。一种基于溶液的无转移涂覆方法用于将GO膜集成到SOI纳米线上，并精确控制膜厚度。使用飞秒光脉冲进行详细的SPM测量，实现了高达~4.3的展宽因子的设备与0.4毫米长，2层的GO。将实验结果与理论进行拟合，得到了相对于未涂覆的波导，波导非线性参数提高了~3.5倍，有效非线性优值提高了~3.8倍。最后，我们讨论了GO膜长度对光谱展宽的影响，并比较了不同GO膜厚度集成波导的非线性光学性能。这些结果证实了与2D GO膜集成的硅器件的改善的非线性光学性能。
2022-05-14 physics.optics
Freestanding dielectric nanohole array metasurface for mid-infrared wavelength applications
我们设计并模拟了基于硅膜上蚀刻纳米孔阵列的独立介质光学超颖表面。我们通过调节孔的尺寸，在中红外波长处显示了$2π$相位控制和高前向透射。我们还确定了负责高前向散射效率的机制，并表明，这些条件与众所周知的Kerker条件已经提出了孤立的散射体。采用序贯粒子群算法和梯度下降法优化设计了光束偏转器，以最大限度地提高传输效率和减少不需要的光栅阶数。这种独立的硅纳米孔阵列超颖表面有望用于实现硅基中红外光学元件。
2018-05-23 physics.optics
The annual energy yield of mono- and bifacial silicon heterojunction solar modules with high-index dielectric nanodisk arrays as anti-reflective and light trapping structures
虽然提出了适用于相对薄的晶体硅基太阳能电池的各种纳米光子结构，以确保有效的光耦合和吸收器中的光捕获，但在实际辐照条件下评估其在太阳能模块水平上的性能非常重要。在这里，我们分析了相对较薄的异质结（HJT）太阳能组件架构时，优化的抗反射和光捕获二氧化钛（TiO $_2$）纳米盘正方形阵列的前，后电池界面上应用的年能量产量。我们的数值研究表明，在减少晶体硅（c-Si）晶片厚度时，当与具有HJT太阳能电池的平坦优化抗反射涂层的参考模块相比时，对于单面和双面太阳能模块，年能量产量的相对增加可分别高达11.0% $_\text{rel}$和43.0% $_\text{rel}$。
2021-06-22 physics.app-ph physics.optics
Enhanced self-phase modulation in silicon nitride waveguides integrated with 2D graphene oxide films
我们实验证明了增强的自相位调制（SPM）的氮化硅（Si 3 N4）波导集成与二维氧化石墨烯（GO）薄膜。GO膜集成到Si 3 N4波导使用基于溶液的，无转移的涂层方法，使膜厚度的精确控制。详细的SPM测量进行使用皮秒和飞秒光脉冲。由于GO的高克尔非线性，与未涂覆的波导相比，混合波导显示出显著改善的光谱展宽，对于具有2层GO的器件，实现了高达~3.4的展宽因子。通过将实验结果与理论拟合，我们获得了高达18.4倍的波导非线性参数的改善，并且GO的克尔系数（n2）比Si 3 N4高约5个数量级。最后，我们提供了一个理论分析的影响，GO膜的长度，涂层的位置，其饱和吸收的SPM性能。这些结果验证了片上集成2D GO膜以增强Si 3 N4器件的非线性光学性能的有效性。
2022-05-31 physics.optics
All-dielectric silicon microring resonators with deeply sub-diffractive mode volumes
Clemson University（克莱姆森大学）
本研究通过亚衍射超材料波导实现全介质硅微环谐振器的深度亚衍射模式体积，展示了高内禀质量因子的驻波谐振特性，为波长尺度光学与亚波长物质接口提供新平台。
2024-08-24 physics.optics
Casimir forces on suspended thin dielectric membranes covered with graphene
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Laboratoire Charles Coulomb (L2C), UMR 5221 CNRS-Université de Montpellier（夏尔·库隆实验室（L2C），CNRS-蒙彼利埃大学联合研究单位5221）
该研究从理论和实验探究覆盖石墨烯的悬浮薄电介质膜的卡西米尔力，发现用薄电介质膜替代石墨烯下的固体衬底可部分恢复卡西米尔力的强热依赖性，室温实验测得的力梯度与理论预测一致。
2026-10-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Nonreciprocal ENZ-Dielectric Bilayers: Enhancement of Nonreciprocity from a Nonlinear Transparent Conducting Oxide Thin Film at Epsilon-Near-Zero (ENZ) Frequency
本文提出利用ITO薄膜在ENZ频率下的强非线性响应构建硅光子双层非互易器件，通过数值模拟确定最佳工作点和最大非互易透射比上限略高于2。
2021-08-20 physics.app-ph physics.optics
Integrated nanophotonic polarizers in silicon waveguides and ring resonators using graphene oxide 2D films
本文将二维氧化石墨烯薄膜集成到硅波导和微环谐振器上，利用其各向异性光吸收实现集成偏振器，实验获得约17 dB偏振相关损耗和约10 dB偏振消光比，并验证了超过100 nm的宽带工作能力。
2024-07-21 physics.app-ph physics.optics
