Hybrid Photonic-Plasmonic Non-blocking Broadband 5x5 Router for Optical Networks
光网络中的光子数据路由克服了电子路由器在数据速率、延迟和能耗方面的限制,同时遭受动态功耗、多个波长信道的非同时使用和大的占用空间。在这里,我们展示了第一个混合光子等离子体,非阻塞,宽带5x 5路由器。紧凑的基底面(<250 μm2)可实现高运行速度(480 GHz),平均能耗(路由损耗)仅为82 fJ/bit(1.9 dB)。该路由器支持电信波段中高达206 nm的多波长。数据容量>70 Tbps,从而展示了未来高数据吞吐量光网络所需的关键功能。
2017-11-14 physics.app-ph physics.optics
Optoelectronic devices, plasmonics and photonics with topological insulators
拓扑绝缘体是一种新型的半导体材料,其半导体体与表面态一起形成狄拉克锥,这确保了表面平面中的金属传导。因此,拓扑绝缘体代表了光电子学和光子学的理想平台。近年来,基于拓扑绝缘体的科学和技术的进步使得能够开发其巨大的应用能力。本文综述了拓扑绝缘体在光电子学、光子学和等离子体学方面的最新研究成果。基于拓扑绝缘体的等离子体激元器件和光电探测器在从太赫兹到紫外线的宽能量范围内具有突出的影响。此外,拓扑光子学和热等离子体的新兴领域的特点,应用范围和挑战进行了讨论。
2019-04-01 physics.app-ph
Design of an integrated hybrid plasmonic-photonic device for all-optical switching and reading of spintronic memory
本文设计了一种集成混合等离激元-光子器件,通过双V形金纳米天线与光子晶体腔耦合,实现纳米级亚铁磁比特的全光开关与读取,克服了尺寸失配等挑战,优于裸波导。
2022-09-30 physics.app-ph physics.optics
Reprogrammable plasmonic topological insulators with ultrafast control
拓扑光子学的出现彻底改变了人们对光传播的理解,但目前的研究大多集中在静态光子结构的设计上。开发一个动态的光子拓扑平台,以超快的速度切换多种拓扑功能仍然是一个巨大的挑战。在这里,我们展示了一种超快可重编程等离子体拓扑绝缘体,其中拓扑传播路径可以在纳秒级的开关时间,即超过10^7倍的速度比目前最先进的动态转向。这种数量级的改进是通过使用超快电子开关以创新的方式实现可编程性。由于灵活的可编程性,许多现有的光子拓扑功能可以集成到这个敏捷的拓扑平台。我们的工作将当前光子拓扑绝缘体的研究带入了数字化和智能化时代,这将推动具有内置拓扑保护的智能和超快光电器件的发展。
2020-12-26 physics.app-ph physics.optics
Advanced Mid-Infrared Plasmonic Waveguides For On-Chip Integrated Photonics
本研究针对长波红外光子器件小型化需求,将有机聚合物光刻与介质加载表面等离子体激元波导结合,制备出聚乙烯基中红外等离子体波导,验证了其低损耗导波能力,为片上中红外光子器件发展提供支撑。
2023-05-05 physics.app-ph physics.optics
500 GHz plasmonic Mach-Zehnder modulator enabling sub-THz microwave photonics
宽带电光强度调制器对于将电信号转换到光域是必不可少的。对太赫兹无线应用的日益增长的兴趣要求调制器同时具有亚太赫兹范围的频率响应、高功率处理和非常低的非线性失真。然而,具有所有这些特性的调制器迄今尚未得到证实。在这里,我们通过实验证明,等离子体调制器不会权衡任何性能参数,同时具有10微米的短长度,超过500 GHz的创纪录高平坦频率响应,高功率处理和高线性度,并且我们使用它们来创建亚太赫兹无线电光纤模拟光链路。这些器件有可能成为微波光子学一般领域的新工具,使sub-THz范围可用于5G无线通信,天线遥控,物联网,传感等。
2018-12-31 physics.app-ph physics.optics
Heterogeneously Integrated ITO Plasmonic Mach-Zehnder Interferometric Modulator on SOI
密集集成的有源光子学是下一代片上网络解决占地面积和能源预算问题的关键。然而,在传统的有源硅光电子学中,弱的光-物质相互作用要求相当大的器件长度。理想的活性材料选择应该有利于高折射率调制,同时易于集成到硅光子平台中。氧化铟锡(ITO)提供了这样的功能,并且最近显示出有希望的调制能力。有趣的是,ITO的纳米薄单位强折射率调制协同地将混合等离子体中的高基团折射率与纳米级光学模式相结合。按照这种设计模式,在这里,我们展示了一个光谱宽带,GHz的快速马赫-曾德尔干涉调制器,表现出高效率的95 Vum的极小VpL表示,部署一个一微米的紧凑型静电可调谐等离子体移相器,基于异质集成到硅光子学的ITO薄膜。此外,我们表明,这种设备的范例,使整个电信近红外C波段的光谱宽带操作。这种单片集成到硅平台中的亚波长短高效快速调制器为高密度光子电路开辟了新的可能性,这对于光子神经网络的高互连密度或例如GHz快速光学相控阵中的应用至关重要。
2020-12-23 physics.app-ph physics.optics
Terahertz Plasmonic Transport in Topological Valley Metal-slabs
本文提出基于超薄金属板的Kagome光子绝缘体,通过旋转空气孔打破对称性实现太赫兹拓扑谷输运,验证了鲁棒波导和正负折射,为紧凑光子集成提供新途径。
2024-09-19 physics.app-ph physics.optics
Bimodal Plasmonic Refractive Index Sensors Based on SU-8 Waveguides
提出基于SU-8波导的高折射率对比度聚合物双模等离子体折射率传感器,实现6300 nm/RIU灵敏度,超越传统传感器,兼具低成本与CMOS兼容性。
2024-05-09 physics.app-ph physics.optics
Modular Hybrid Plasmonic Integrated Circuit -- Rotation, Nanofocusing and Nonlinear Enhancement
我们介绍了一种模块化的方法,有效地接口光子集成电路与深亚波长混合等离子体功能。我们证明了一个现成的绝缘体上硅波导可以后处理成集成的混合等离子体电路通过蒸发二氧化硅和金纳米层。该电路由一个等离子体旋转器和一个纳米聚焦器模块组成,它们共同导致纳米级的非线性波长转换。我们实验表征每个模块,并证明了强度增强的$>200$在计算模式面积的$50\,{\rm nm}^2$在$λ= 1320\,{\rm nm}$使用二次谐波产生。这项工作打开了在工业标准波导上定制等离子体功能的大门,将传统的集成光子电路与混合等离子体器件连接起来。这种方法有望方便地获得纳米尺度的量子信息处理,非线性等离子体和单分子传感。
2019-08-30 physics.app-ph physics.optics
Plasmonics Theory for Biosensor Design: Mathematical Formulations and Practical Applications
过去二十年见证了无线技术和系统及其相关应用的指数增长和巨大发展。在2006年之后的最近几年中,对新兴的等离子体纳米技术的兴趣激增,因为这种新的器件技术在电子器件和光子器件之间提供了巨大的协同作用。电子设备可向下扩展到纳米级尺寸,但由于与电子设备相关联的热和信号延迟问题而具有有限的处理器速度。另一方面,光子器件具有极高的速度和高数据承载能力,但是在尺寸上受限于衍射定律,使得光子器件的尺寸应该等于其工作波长的大约一半。电子器件和光子器件之间的尺寸失配抑制了这两种器件技术之间的有利接口,在此等离子体纳米技术在这两种技术的接口中起着重要作用。等离子体激元技术在纳米级电子器件之间提供具有高数据承载能力的高速互连,从而开辟了一个新的研究领域,即片上高速纳米网络[28]。正是等离子体激元技术的这一巨大优势使其成为用于设计微型实时生物传感器的非常有趣的技术。在我们的等离子体生物传感器设计中,我们利用了等离子体技术的一个子集,即表面等离子体波生成,以便连续监测所需分析物的浓度。
2019-04-21 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Semiconducting Metal Oxide Photonic Crystal Plasmonic Photocatalysts
等离子体激元激发促进了在可见光照射下提高光催化效率的快速进展。可见光响应性差的光催化材料和低的光催化效率仍然是主要的挑战。其中金属和半导体都是光敏的等离子体金属-半导体异质结构有希望用于光捕获催化,因为两种组分都可以吸收太阳光。通过将催化剂构造为光子晶体,可以进一步提高光子捕获效率。在这里,我们报告的光子晶体等离子体光催化剂材料的合成使用金纳米粒子功能化的反蛋白石(IO)光子晶体。使用可见光响应性半导体(V2 O 5)制备的催化剂在绿光激发($λ$ =532 nm)下与无照射相比显示出反应速率增加了一个数量级。Au-V2 O 5 IO的优异性能归因于电子带隙、局域表面等离子体共振和入射光源的光谱重叠。比较Au-V2 O 5 IO与传统Au-TiO 2 IO催化剂的光催化性能,其中半导体带隙在UV中,揭示了根据半导体的性质在不同的光照条件下观察到最佳的光催化活性。对于Au-TiO 2催化剂,尽管LSPR和激发源在$λ$ =532 nm处耦合,但与在宽带可见光下进行反应相比,这在增强光催化活性方面并不有效,这归因于通过光子带隙的存在而改善的可见光中的光子吸收,以及利用光子晶体中的慢光来增强光子吸收以产生这种协同型光催化剂。
2019-12-14 physics.app-ph
Ultrafast structural color change in indium tin oxide/titanium dioxide 1D photonic crystal
光子晶体可以在其结构中集成诸如氧化铟锡(ITO)的等离子体材料。利用ITO等离子体特性,可以在施加外部刺激时调谐光子晶体的光子带隙。在这项工作中,我们已经通过射频溅射制备了一维多层光子晶体,我们已经触发了超快泵浦探测光谱的光学响应。在光激发时,我们观察到铟锡氧化物的折射率的变化。这种效应已被用于产生在超快时间尺度内改变其光子带隙的光子晶体。通过设计光子晶体实现了可见光区的全光调制。
2022-05-19 physics.app-ph physics.optics
Efficient 3-dimensional photonic-plasmonic photo-conductive switches for picosecond THz pulses
光电导开关一直被用于太赫兹波的产生和探测,但其效率长期以来一直被忽视。迄今为止,“光学主导”的设备正在进入需要超快皮秒电压脉冲的新兴研究领域,以及功率效率至关重要的新应用。为了解决效率问题,在这篇文章中,我们提出了一种新的光电导开关,是基于一个三维设计。与传统的平面设计相比,我们的光电导开关通过最大限度地提高器件内的激光吸收,同时优化电极处的载流子收集效率,从而大大提高了整体效率。为了使光吸收最大化,我们利用了由于纳米柱的周期性阵列而在我们的设备中激发的光子和等离子体模式,而通过将每个纳米柱转换为单个纳米光电导开关来优化收集效率。我们的数值计算表明,在整体产生的电流和5倍的带宽增加相比,传统的交叉平面光电导开关的50倍的增加。这为量子科学和技术开辟了大量新的可能性,其中高效的低功耗设备是必不可少的。
2020-11-09 physics.app-ph physics.optics
On the Calculation of the Quality Factor in Contemporary Photonic Resonant Structures
当代光子和等离子体共振系统的共振特性以及主要是品质因数$Q$的正确数值计算是极其重要的,因为$Q$限定带宽并且影响非线性和自发发射过程。在这里,我们比较评估常用的方法计算$Q$使用光谱模拟与商业上可用的,通用的软件。我们研究这些方法的适用范围,通过明智地选择的例子,涵盖不同的材料系统和频率制度,从远红外到可见光。我们关心的是强调限制每一个适用性的潜在物理和数字原因。我们的研究结果表明,在当代系统(等离子体,二维材料)$Q$计算是不平凡的,主要是由于强材料色散和光泄漏的物理复杂性。我们的工作可以作为一个谨慎和准确的计算的品质因数的参考,并可以作为一个手册,其在导波和自由空间的光子和等离子体共振系统的评估。
2019-05-07 physics.app-ph physics.optics
Tunable plasmonic devices by integrating graphene with ferroelectric nanocavity
石墨烯等离子体激元具有室温激发和不同频率可调的光谱选择性等独特的特性,因此能够成为新型概念光子器件的基础。追求有效地激发和操纵石墨烯等离子体激元对于高性能器件是必要的和重要的。在这里,我们研究了石墨烯等离子体波在铁电纳米腔阵列中的传播。我们的实验表明,周期性的铁电极化可以用于掺杂石墨烯到所需的空间载流子密度图案。基于考虑石墨烯片周期性非均匀导电性的理论模型,模拟结果表明,石墨烯中的表面等离子体激元(SPP)可以被入射光以类似于光子晶体共振模式的方式激发。通过改变铁电纳米腔阵列的尺寸,石墨烯SPP共振可以从~720 cm-1调谐到~1 000 cm-1,通过动态改变栅极电压,石墨烯SPP共振可以从~540 cm-1调谐到~780 cm-1。我们的石墨烯载体工程激发SPP的策略为新型石墨烯光子器件的大规模非破坏性制造提供了一种有前途的方法。
2022-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Highly Sensitive Wavelength-scale Amorphous Hybrid Plasmonic Detectors
等离子体和硅光子学的混合集成是一种有前途的全球微处理器互连结构。为此,实际的等离子体激元器件不仅应该在波长尺度覆盖区上提供无热宽带操作,而且还支持与低损耗Si波导以及CMOS后端工艺的非侵入式集成。在这里,我们展示了一个混合等离子体光电探测器与一个单一的有源结制造通过后端沉积的非晶材料耦合到硅纳米线只有1.5dB的损失。利用内部光电发射,我们的探测器在7V偏压下在620 nm × 5μm的基底面上测量到-35dBm的灵敏度。此外,获得了高达0.4mA/W的响应度和低至0.2nA的暗电流。在λ=1.2-1.8μm和高达100°C的温度范围内,可实现高工艺容差。结果表明,在没有昂贵的工艺修改的情况下,在Si芯片上实现等离子体-光子光电集成的潜力。
2017-09-24 physics.app-ph physics.optics
Compact Graphene Plasmonic Slot Photodetector on Silicon-on-insulator with High Responsivity
石墨烯具有非凡的电光特性,因此是单片光子器件如光电探测器的有前途的候选者。然而,这种原子薄层材料与大体积光子组件的集成通常导致弱的光-石墨烯相互作用,导致限制电光性能的大器件长度。相比之下,在这里,我们展示了一个等离子体狭缝石墨烯光电探测器上的硅绝缘体平台具有高响应度的5微米短的设备长度。我们观察到,最大的光电流,因此最高的响应度,规模与槽隙宽度成反比。使用双光刻步骤,我们实现了15 nm的窄槽,与光子石墨烯光电探测器相比,每单位设备长度的响应度高出15倍。此外,我们揭示了背栅静电被这种超短沟道石墨烯光电探测器的接触引起的沟道掺杂贡献所掩盖。这导致准电荷中性,这解释了相对于石墨烯狄拉克点的最大基于光电流的光电流和观察到的非双极传输之间的先前未看到的偏移。这种微米紧凑和吸收效率高的光电探测器允许下一代光子元件中的短载流子路径,同时也是研究石墨烯光电子学中短沟道载流子物理的理想测试平台。
2018-11-14 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic crystals with highly ordered lattice geometries using continuous metal films on diatom bio-silica as both scaffolds and sources of tuneability
硅藻是在地球所有水道中发现的微小藻类。它们产生硅藻壳,多孔的二氧化硅外骨骼,通过从水中沉淀草酸而生长。来自某些硅藻物种的被称为环带的硅藻壳组分也具有高度周期性的孔阵列,其具有与制造的光子晶体相同的规模和有序质量的性质。在这里,两个硅藻物种的环带与各种晶格常数被用作生物二氧化硅支架等离子体晶体,结合金属选择的介电常数和光子晶体属性之间的光谱协议。硅藻壳作为等离子体应用的支架的使用已经在早期进行了测试,因为纳米多孔特征可以增强散射和局部热点,这对传感应用或SERS有用。然而,腰带和连续金属膜的使用都是提供以前看不见的等离子体效应的新方法。从反射傅立叶光谱的角度分辨分散体提供的圆筛藻granii腰带,形成良好有序的正方形晶格,和圆筛藻wailesii,形成有序的六边形晶格,覆盖有40 nm的银膜或40 nm的金,分别。这些都证实了光学建模的3D系统,包括金属表面层和内部硅藻壳结构,允许计算的分散和电场。通过聚焦离子束显微镜产生的结构的测量结果进行了进一步比较,证明了作为光子晶体支架和作为替代传统的等离子体晶体制造的腰带的优点。结果表明,高品质的等离子体晶体支架从硅藻是在自然界中可用的,它们的自然多样性可以应用在一个可控的方式,以获得等离子体晶体与广泛的行为和光谱响应。
2021-08-03 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic nanogap enhanced phase change devices with dual electrical-optical functionality
现代计算机使用电信号来处理和存储带宽有限且耗电的数据。这些限制在通信领域被绕过,其中光信令是标准。然而,为了在计算中利用光信号,需要在电域和光域中无缝工作的新的片上器件。相变器件原则上可以提供这样的功能,但是由于尺寸受限的电开关和衍射受限的光子器件的相互冲突的要求,在单个器件中这样做已被证明是难以实现的。在这里,我们结合了等离子体,光子学和电子学,提供了一种新型的集成相变存储器和计算单元,可以在二进制或多级状态之间进行电气或光学切换,并以任一模式读出,从而合并计算和通信技术。
2018-11-19 physics.app-ph physics.optics
Silicon-Integrated Next-Generation Plasmonic Devices for Energy-Efficient Semiconductor Applications
本综述聚焦硅集成混合模式等离激元器件,探讨其克服传统材料损耗、实现高带宽片上通信的潜力,并比较多种方法以指引高性能硅基光子学发展。
2025-03-25 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic-Photonic Hybrid Nanodevice
本文提出基于光子晶体(PC)结构设计并制备一种新型等离激元-光子混合纳米器件,实现外部源与NA的高效耦合,通过数值模拟与实验表征证明NA能调控激光器的光学特性及光场分布。
2023-05-24 physics.app-ph physics.optics
Sensing beyond the exceptional point for high detectivity
本文提出偏离奇异点传感策略,在等离激元-光子混合系统中实现高探测率与高灵敏度兼得,灵敏度达1.2 nm/nM,最小光学预算1.3 nJ,适用于实际应用。
2024-03-15 physics.app-ph physics.optics
Electrical addressing of exceptional points in compact plasmonic structures
本研究提出并在紧凑型局域人工等离激元结构中实验验证了电学可寻址的异常点,通过变容二极管连续调谐实现本征频率实虚部同时合并,为集成器件平台提供了高功能可调元件。
2023-04-03 physics.app-ph physics.optics
Chip-compatible quantum plasmonic launcher
集成的按需单光子源是实现光子量子信息处理系统的关键。为了实现实用的量子光子器件,固态量子发射器的发射速率需要大幅提高,并且发射的信号必须直接耦合到片上电路。光子发射速率的加速最好通过耦合到等离子体天线来实现,而片上集成可以通过将发射器直接耦合到光子波导来容易地获得。实用器件的实现要求在单一结构中实现发射加速和有效的外耦合。在这里,我们提出了一种新的平台,有效地结合了芯片上的兼容性与高辐射发射率,量子等离子体发射器。拟议的发射器包含纳米金刚石中的单个氮空位(NV)中心作为量子发射器,其提供约7000倍的创纪录的平均荧光寿命缩短因子。具有单个NV的纳米金刚石夹在两个银膜之间,这两个银膜将超过一半的发射耦合到面内传播的表面等离子体激元中。这种简单、紧凑且可扩展的架构代表了实际实现高速片上量子网络的关键一步。
2019-10-07 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Thermal Control of Plasmonic Surface Lattice Resonances
表现出集体响应的等离子体超颖表面被称为表面晶格共振(SLR),其显示出用于实现用于波长选择过程(包括激光和光学非线性)的可调谐和平坦光子组件的潜力。然而,SLR的制造后调整仍然具有挑战性,限制了基于SLR的组件的适用性。在这里,我们演示了如何高品质因数单反相机的属性很容易修改打破对称性的纳米颗粒周围。我们通过简单地控制设备的环境温度来改变上覆浸没油的折射率来打破对称性。我们表明,已经温和的温度变化10°C可以增加品质因数的调查SLR从400到750。我们的研究结果表明,准确和可逆的修改的性质的SLR,铺平了道路可调谐的基于SLR的光子器件。在一个更一般的水平上,我们的研究结果表明如何对称破缺周围的介电环境可以利用有效的和潜在的超快修改的SLR性能。
2021-11-11 physics.app-ph physics.optics
Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides
全光开关因其可以克服电开关的速度限制而受到人们的关注。然而,由于现有材料中固有的小光学非线性,超快、节能的全光开关的实现一直具有挑战性。作为解决方案,我们提出了石墨烯负载的深亚波长等离子体波导(30 nm x 20 nm)。由于极端的光限制,我们显著增强了石墨烯的光学非线性吸收,并实现了超快全光开关,开关能量为35 fJ,开关时间为260 fs。开关能量比以前的石墨烯基器件小四个数量级,是有史以来报道的任何全光开关在几皮秒或更少的值。该器件可以有效地连接到传统的Si波导和Si光子集成电路。我们相信,这种基于石墨烯的器件将为片上超快和节能的光子处理铺平道路。
2019-07-03 physics.app-ph physics.optics
Disorder-Engineered Hybrid Plasmonic Cavities for Emission Control of Defects in hBN
Middle East Technical University(中东技术大学);Izmir Institute of Technology(伊兹密尔理工大学);Tampere University(坦佩雷大学);Eindhoven University of Technology(埃因霍温理工大学);Sabancı University(萨班哲大学)
本研究通过低成本可扩展方法集成石墨烯氮化硼中的缺陷量子发射体与等离子体纳米腔体,实现光致发光增强和衰变动力学控制,无需确定性定位。
2026-01-31 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Optical Reading of Nanoscale Magnetic Bits in an Integrated Photonic Platform
提出一种集成混合等离激元–光子器件,利用V形金纳米天线和偏振旋转器实现磁赛道中纳米级垂直磁位元的PMOKE光学读取。
2022-08-04 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Coupling of deterministically activated quantum emitters in hexagonal boron nitride to plasmonic surface lattice resonances
本文提出一种可扩展耦合方法,使六方氮化硼中的色心系综与离域高品质等离激元表面晶格共振耦合,为室温单光子源及片上光子量子应用提供新平台。
2019-09-05 physics.app-ph physics.optics quant-ph