High-Performance Photonic Transformers for DC Voltage Conversion
直流(DC)转换器在电子电路中起着重要作用。传统的高效率DC电压转换器,特别是升压型,依赖于开关模式操作,其中能量周期性地存储在连接在各种电路拓扑中的电感器和/或电容器内以及从其释放。然而,由于这些储能元件,特别是电感器,难以按比例缩小,因此用于片上或封装内电子器件的开关转换器的小型化面临着根本性的挑战。此外,由此产生的开关电流会产生电磁噪声,这会在附近的电路中引起干扰问题,甚至会导致环境恶化的声学噪声和机械振动。为了克服开关模式转换器的局限性,已经展示了光子Transformers,其中通过使用光发射和检测过程来实现电压转换。然而,所展示的效率显著低于开关模式转换器的效率。在这里,我们进行了细致平衡的基础上,这表明,与单片集成的设计,使有效的光子传输,光子Transformer可以操作与近单位的转换效率和高电压转换比的理论分析。我们验证了理论分析与实验上构造的Transformer与现成的分立元件。我们的实验展示了近无噪声操作,以及电压转换比,这是显着高于在以前的光子Transformer工程。我们的发现指出了一种高性能的光学解决方案,可以使电子产品的直流电源转换器更加稳定,并提高电磁兼容性和电力质量。
2021-03-26 physics.app-ph physics.optics
Coupling silica waveguides to photonic crystal waveguides through multilayered Luneburg lens
我们提出了一种基于Luneburg透镜的耦合器的详细分析,以耦合二氧化硅波导到光子晶体波导。利用二维有限元方法研究了透镜截断、光子晶体结构的切割位置、耦合器尖端宽度和失调对耦合效率的影响。我们实现了一个同心环为基础的多层结构的镜头。我们还提出了一种方法,以取代层的预定的最小宽度的透镜的结构中的非常窄的宽度。所设计的耦合器长度为$μm$,宽度为$μm$,耦合器连接一个具有棒状正方晶格的光子晶体结构,耦合损耗在C波段低于0.49 dB。光通信的整个S、C、L和U频带中的平均耦合损耗为0.70 dB。
2019-12-16 physics.app-ph physics.optics
Maximizing waveguide integration density with multi-plane photonics
我们提出并实验证明了一种光子路由架构,可以有效地利用空间的多平面(3D)光子集成。制造并表征了具有三个平面的非晶硅波导的晶片,展示了每个平面外波导交叉的$<3\times10^{-4}$ dB损耗、每个平面间耦合器的$0.05 \pm 0.02 $ dB以及三个平面上的具有高达$8.2 \times 10^{4}$的品质因数的微谐振器。我们还探讨了相速度映射策略,以减轻不同平面上的同向传播波导之间的串扰。这些结果扩展了3D光子集成的应用,如光学互连,神经形态计算和光学相控阵列的效用。
2017-08-15 physics.app-ph 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
Scalable and Robust Photonic Integrated Unitary Converter
光学么正转换器(Optical Unitary Converter,OUC)能够将一组N个相互正交的光模转换为另一组任意N个正交的光模,有望成为光通信、深度学习和量子计算等多种应用中的关键器件。虽然已经在光子集成平台上展示了各种类型的OUC,但其对波导尺寸的轻微偏差的敏感性一直是缩放N的关键问题。在这里,我们证明了基于多平面光转换(MPLC)概念的OUC对波导偏差表现出出色的鲁棒性。此外,随着N的增加,它对制造误差变得越来越不敏感,这与由2个$\times$ 2马赫-曾德尔干涉仪组成的传统OUC架构形成鲜明对比。这种独特的鲁棒性和可扩展性背后的物理起源研究考虑广义OUC配置。因此,我们发现,在每个阶段的耦合模式的数量起着至关重要的作用,在确定整个OUC的灵敏度。当采用自然在MPLC-OUC中实现的全对全耦合干涉仪时,获得了最大的鲁棒性。
2021-03-27 physics.app-ph physics.optics
Photonic sampled and quantized analog-to-digital converters on thin-film lithium niobate platform
本文提出了一种基于薄膜锂酸盐平台的片上光子采样量化模数转换器(ADC)的实验方案。采用两个相位调制器作为采样器,5 $\times$ 5多模干涉(MMI)耦合器作为量化器,成功地将1 GHz正弦模拟输入信号转换为采样率为20 GSample/s的数字化输出。为了评估系统性能,测量了ADC的量化曲线和传递函数。实验有效位数(ENOB)为3.17位。所演示的器件能够在高达70 GHz的高频下工作,使其成为片上超高速模数转换的有前途的解决方案。
2022-07-28 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Mode-center Placement of Monolayer WS$_{2}$ in a Photonic Polymer Waveguide
由于材料的强激子基光学响应,将诸如单层过渡金属二硫属化物(TMD)的2D材料有效地集成到光子波导和集成电路中正在被强烈地追求。在这里,我们提出了一个平台,其中WS $_{2}$ -hBN二维异质结构直接集成到一个新的聚合物脊波导的光子模式中心。FDTD模拟和收集的光致发光的导模表明,该系统具有显着改善的波导发射器耦合在以前的弹性体平台。这是由平台的增强折射率对比度和耦合TMD的模式中心积分的新方法促进的。该集成基于适用于其他2D材料的简单干转移过程,并且该平台的弹性体性质非常适合探索应变可调混合光子器件。所展示的将光致发光耦合到聚合物波导的能力为各种背景下的混合光子系统开辟了新的可能性。
2021-07-24 physics.app-ph physics.optics
Low-index contrast waveguide bend based on truncated Eaton lens implemented by graded photonic crystals
低折射率对比度波导是无源集成光学器件中不可缺少的一部分。降低弯曲损耗的二氧化硅波导的弯曲半径是实现二氧化硅平面光波导电路小型化的关键。伊顿透镜是一种梯度折射率透镜,可以将平行光线弯曲90°、180°或360°。我们提出了一种低损耗和紧凑的90°波导弯曲的半径为9 $μ$ m的截断伊顿透镜设计。采用全波二维有限元法对所设计的渐变光子晶体弯曲器的性能进行了分析。C波段的平均弯曲损耗为0.9dB,而1260- 1675 nm波长范围的平均弯曲损耗为1.05dB。所提出的设计策略可以应用于其他低折射率对比度波导。
2019-04-24 physics.app-ph physics.optics
Curved GaAs cantilever waveguides for the vertical coupling to photonic integrated circuits
本文报道了基于弯曲砷化镓悬臂波导的光斑尺寸转换器,利用应力失配实现可控面外弯曲并锁定90°垂直取向,在200纳米带宽内实现宽带芯片到光纤耦合,兼容量子光子集成电路。
2023-11-10 physics.app-ph physics.optics
Efficient erbium-doped thin-film lithium niobate waveguide amplifiers
绝缘体上的锂氧化物(LNOI)是一种新兴的光子平台,在未来的光通信、非线性光学和微波光子学中具有巨大的应用前景。然而,在LNOI平台中仍然缺少一个重要的集成光子构建块,即有源波导放大器。在这里,我们报告了一种高效,紧凑的波导放大器的基础上掺铒LNOI波导,实现了一系列的掺铒晶体生长,离子切片和光刻波导制造。使用一个紧凑的5毫米长的波导,我们证明了片上的净增益> 5 dB的1530 nm的信号光与一个相对较低的泵浦功率为21 mW的980 nm。这种高效率的LNOI波导放大器将成为未来锂氧化物光子集成电路的重要基础元件。
2021-01-18 physics.app-ph 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
Top-down integration of a hBN quantum emitter in a monolithic photonic waveguide
本研究结合hBN波导纳米制造与电子辐照局部生成量子发射体技术,实现了室温下运行的全自顶向下基础量子光子电路,为hBN确定性量子光子电路的发展迈出第一步。
2023-07-03 physics.app-ph physics.optics
Suspended Spot-Size Converters for Scalable Single-Photon Devices
我们报道了一种高效的光斑尺寸转换器的实现,用于GaAs基纳米光子波导中嵌入量子点的单光子端面耦合。该转换器采用倒锥结构和环氧树脂覆盖层实现,输出模场直径为1.3~ $μ$ m。我们演示了以5.84 $\pm0.01$ ~MHz的速率将单光子从量子点收集到透镜光纤中,并估计了芯片到光纤的耦合效率为$\sim48$ ~\%。环氧树脂波导的稳定性和与低温的兼容性使其成为实现异质量子光子集成电路之间高效和可扩展互连的有前途的材料。
2019-06-21 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Enhancement of the indistinguishability of single photon emitters coupled to photonic waveguides
实现大规模量子光子学的主要步骤之一是将单光子源(SPS)与光子集成电路(PIC)集成在一起。为此目的,PIC应提供有效的光耦合和光子不可吸收性的高度保持。因此,通过波导设计来优化不可逆性是特别相关的。在这项工作中,我们已经开发了一个分析模型来计算的耦合和不可逆性的一个理想的点源量子发射器耦合到光子波导取决于源的方向和位置。该模型已通过时域有限差分(FDTD)模拟显示一致的结果进行了数值评估。当发射器嵌入波导的中心时实现最大耦合,但有些令人惊讶的是,当发射器放置在波导的边缘时,最大不稳定性出现,在该边缘处,由于表面不连续性,电场更强。
2021-03-02 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Topologically-protected single-photon sources with topological slow light photonic crystal waveguides
慢光波导对于实现集成量子光子电路(IQPC)的可扩展操作所需的高性能单光子源是有利的,尽管已知这样的波导由于后向散射而遭受传播损耗。克服该缺点的一种方法是使用拓扑光子学,其中最近已经证明了拓扑保护光学模式中的鲁棒波导。在这里,我们报告的单光子源使用单量子点(QD)嵌入拓扑慢光波导的基础上谷光子晶体。我们观察到Purcell增强的单光子发射从一个量子点到一个拓扑的慢光模式与一个组指数超过20,其强大的传播,即使在存在尖锐的弯曲。这些结果为实现IQPC不可或缺的鲁棒性和高性能单光子源铺平了道路。
2022-07-16 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Spatial and doping effects on radiative recombination in thin-film near-field photonic energy converters
本文基于涨落电动力学定义局部辐射复合系数,揭示薄膜厚度、近场配置和掺杂水平对InAs光子能量转换器辐射复合的显著影响,并指出重掺杂下取发光系数为1会高估热辐射电池性能。
2022-06-19 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Photonic Supercoupling in Silicon Topological Waveguides
该研究在拓扑谷霍尔波导对中发现光子超耦合,利用谷守恒能量涡流在三个波长间距下实现95%耦合效率,显著拓展片上光子器件耦合距离。
2024-01-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A perspective on integrated atomo-photonic waveguide circuits
描述了基于悬浮光子脊形波导的集成光子电路,它可用于超冷中性原子在其表面附近的双色倏逝光场中的相干捕获、引导和分裂。基于这种集成的原子-光子波导的量子惯性传感器,它是同时引导光子和原子沿同一路径,提出了。解释了在外力作用下自由空间和导引原子干涉仪的区别。讨论了实现这种新型量子技术平台所面临的理论和技术挑战。
2021-10-07 physics.app-ph physics.atom-ph
Graphene photodetector integrated on a photonic crystal defect waveguide
提出了一种基于硅光子晶体缺陷波导的石墨烯光电探测器。光子结构用于将传播光限制在石墨烯层中的狭窄区域中以增强光-物质相互作用。此外,它被用作分裂栅电极,以在光吸收区附近创建pn结。光子晶体缺陷波导允许石墨烯中发生的温度分布到光电压的最佳光电转换,这是由于波导两侧上的附加硅板,与传统的槽波导设计相比,增强了器件响应。实现了4.7 V/W的光响应度和18 GHz的电带宽(设置限制)。在0.4V的中等偏压下,获得了0.17A/W的光电导响应。
2019-03-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph