Nanophotonic Inverse Design with SPINS: Software Architecture and Practical Considerations
提出了一种基于梯度优化的计算纳米光子设计库SPINS。借用计算图的概念，SPINS是一个强调灵活性和可重复结果的设计框架。数学和建筑的细节，以实现这些目标，并讨论了实际的考虑因素和使用逆向设计，包括初始条件的选择和局部极小的景观。
2019-10-31 physics.app-ph
Nanophotonic inspection of deep-subwavelength integrated optoelectronic chips
本文提出利用光热非线性散射显微术，借助漏共振纳米结构的热致非线性调制，实现80 nm级超分辨成像，并在硅光栅、超透镜及45 nm CPU芯片上验证其原位无损高通量检测能力。
2024-04-03 physics.app-ph physics.optics
All van der Waals Integrated Nanophotonics
集成光学是从遥感和通信到计算和量子信息处理的广泛系统的核心。对更小和更节能结构的需求刺激了对更先进材料平台的探索。在这里，我们提出了一个概念的所有范德华光子学，在那里我们表明，电子散装过渡金属二硫属化物（TMDC）半导体很好地适合于设计的关键光学元件的纳米级和集成光子学。具体来说，我们从理论上证明，由于近红外和电信频段的低光损耗和高折射率，由块状TMDC制成的组件可能会优于由传统3D半导体制成的组件，如Si和III/Vs。我们讨论了几个关键的量子和经典光学组件，并表明块状TMDC可能为更小的占地面积器件铺平道路，更节能的电光调制器和更强的量子光-材料相互作用。增强的光学性能，易于集成，以及广泛的材料选择表明，散装TMDC可以补充，并有可能取代现有的集成光子系统。
2020-09-17 physics.app-ph physics.optics
Electrothermally Modulated Nanophotonic Waveguide-integrated Ring Resonator
Indian Institute of Technology Delhi（印度理工学院德里分校）
本文提出了一种电热调制的光子集成芯片设计，通过优化铂基对称加热器实现高效光调制，为神经形态计算、光互连和可重构光网络提供能效高的光子系统方案。
2025-09-06 physics.app-ph physics.optics
Design space reparameterization enforces hard geometric constraints in inverse-designed nanophotonic devices
逆向设计算法是实现高性能、自由形态纳米光子器件的基础。目前的方法来实施几何约束，如实际的制造约束，是启发式的，而不是鲁棒的。在这项工作中，我们表明，硬几何约束可以施加在反向设计的设备重新参数化的设计空间本身。代替评估和修改物理设备空间中的设备，候选设备布局在无约束的潜在空间中被定义，并且被数学地变换到物理设备空间，这稳健地施加几何约束。通过反向设计算法指定的物理设备的修改，使用反向传播对它们的潜在空间表示进行。作为一个概念验证的演示，我们应用重新参数化，以执行严格的最小特征尺寸约束的局部和全局拓扑优化的元移植。我们预计，重新参数化的概念将提供一个通用的和有意义的平台，将物理和物理约束的任何基于梯度的优化，包括机器学习启用全局优化。
2020-07-25 physics.app-ph
Modeling Electrical Switching of Nonvolatile Phase-Change Integrated Nanophotonic Structures with Graphene Heaters
集成纳米光子学的进展使得大规模可编程光子集成电路（PIC）能够用于芯片上的通用电子-光子系统。依赖于弱的、易挥发的热光或电光效应，此类系统通常表现出有限的可重构性以及高能耗和大占地面积。这些挑战可以通过采用诸如Ge 2Sb 2 Te 5（GST）的硫族化物相变材料（PCM）来解决，该硫族化物相变材料在相变时以自保持方式提供实质的光学对比度。然而，目前基于PCM的集成光子应用限于单个器件或简单的PIC，由于光学或电自加热致动方法的可扩展性差。相反，通过外部电加热器的热传导加热允许大规模集成和大面积切换，但快速和节能的电气控制尚未显示。在这里，我们的GST包层集成纳米光子结构与石墨烯加热器的可编程GST硅平台的基础上的电气开关模型。由于石墨烯的超低热容和高面内热导率，所提出的结构具有约80 MHz的高开关速度和19.2 aJ/nm^3的高能量效率（6.6 aJ/nm^3）用于结晶（非晶化）同时实现完全的相变以确保强衰减（~6.46 dB/微米）和光学相位（~0.28 dB/微米，1550 nm）调制。与氧化铟锡和硅p-i-n加热器相比，具有石墨烯加热器的结构显示出两个数量级的加热和整体性能的优值。我们的工作有助于分析和理解的热传导加热使相变的PIC和支持未来的大规模PCM为基础的电子-光子系统的发展。
2020-01-26 physics.app-ph physics.optics
Low-loss integrated nanophotonic circuits with layered semiconductor materials
具有直接带隙的单层过渡金属二硫属化物是微电子学、纳米光子学和光电子学的新兴候选者。这些半导体材料转移到光子集成电路（PIC）上，使新型发光二极管、调制器和光电探测器成为可能，这些材料可以进行晶圆级制造。对于集成光子器件，PIC的光损耗是关键的。与硅相比，氮化硅（Si 3 N4）已成为一种低损耗集成平台，具有从紫外到中红外的宽透明窗口，并且在电信波段没有双光子吸收。此外，由于它的高克尔非线性和高功率处理能力，它适用于非线性集成光子学。Si 3 N4的这些特征本质上有利于纳米光子学和光电子学应用。在这里，我们报告了一个低损耗的集成平台，将单层二碲化钼（1 L-MoTe 2）与氮化硅光子微谐振器。我们表明，与1 L-MoTe 2，微谐振器品质因数超过300万，在电信O波段到E波段保持。我们进一步研究了由于1 L-MoTe 2的存在而引起的微谐振腔色散和谐振位移的变化，并外推了由1 L-MoTe 2在电信频带中引入的激子过渡区之外的光损耗。我们的工作为具有分层半导体的低损耗混合PIC迈出了关键一步，而无需使用异构晶圆键合。
2020-10-15 physics.app-ph physics.optics
Intrinsically Design-Rule-Compliant Nanophotonic Inverse Design via Learned Generative Manifolds
Koç University（科奇大学）；KU Leuven（荷语天主教鲁汶大学）；Bursa Technical University（布尔萨科技大学）；KUIS AI, Koç University（科奇大学知识信息与智能系统人工智能研究所）
提出通过生成流形重新参数化设计空间，将优化限制在DRC合规几何的流形内，实现固有设计规则合规的纳米光子逆向设计，在多种硅光器件上达到最优性能并降低计算成本。
2026-06-12 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Inverse-designed lithium niobate nanophotonics
绝缘体上钛酸锂（LNOI）是一种新兴的光子平台，具有良好的材料特性（如低光学损耗，强非线性和稳定性），并能够实现具有更强光学约束的大规模集成，为未来的光网络，量子处理器和非线性光学系统展示了前景。然而，虽然近年来光子工程已经进入了通过优化的自动化“逆向设计”时代，但LNOI集成光子器件的设计仍然主要依赖于直观模型和低效的参数扫描，限制了可访问的参数空间、性能和功能。在这里，我们开发并实现了一个基于3D梯度的反向设计模型，为LNOI平台的拓扑优化量身定制，它不仅可以有效地搜索一个大的参数空间，但也考虑到实际的制造约束，包括最小特征尺寸和蚀刻侧壁角度。我们实验证明了一个空间模式复用器，波导交叉，和一个紧凑的波导弯曲，所有低插入损耗，微小的足迹，和模拟和实验结果之间的良好协议。这些器件与设计方法一起代表了未来LNOI光子学所需的各种先进器件功能的关键一步，并可以为未来的光链路，量子技术和非线性光学提供紧凑且具有成本效益的解决方案。
2022-12-19 physics.app-ph physics.optics
End-to-End Nanophotonic Inverse Design for Imaging and Polarimetry
通过共同设计一个元光学前端结合图像处理后端，我们证明了噪声灵敏度和紧凑性大大优于光学或计算的方法，说明了两个例子：亚波长成像和重建的多个光源的全偏振相干矩阵。我们的端到端逆设计耦合的完整麦克斯韦方程组的解决方案-利用在亚波长散射体中产生的波物理的所有方面-与逆散射算法在一个单一的大规模优化涉及$\gtrsim 10^4$自由度。所得到的结构散射光的方式，是从根本上不同于传统的透镜或随机的微结构，并抑制噪声灵敏度的逆散射计算的几个数量级。全波物理的解释对于探测被几何光学和标量衍射理论丢弃的光谱和偏振信息尤其重要。
2020-10-10 eess.IV physics.app-ph physics.comp-ph
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
Adjoint method and inverse design for nonlinear nanophotonic devices
逆设计的发展，其中计算优化技术用于设计基于某些规格的设备，导致了许多紧凑的，非直观的结构，具有优越的性能的发现。在各种方法中，大规模的基于梯度的优化技术已经成为设计包含大量自由度的结构的最重要的方法之一。这些技术是可能的伴随方法，其中相对于所有的设计自由度的目标函数的梯度可以使用仅两个全场模拟计算。然而，到目前为止，这种方法主要应用于线性光子器件。在这里，我们提出了一种扩展的方法来建模非线性器件在频域中，与非线性响应直接包括在梯度计算。作为说明，我们使用的方法来设计紧凑的克尔非线性材料中的光子开关，其中低功率和高功率脉冲在不同的方向上路由。我们的技术可能会导致新的紧凑型非线性光子器件的发展。
2018-11-03 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Inverse Design in Nanophotonics via Representation Learning
本文综述了纳米光子学逆向设计中基于表示学习的机器学习方法，分为输出端和输入端两类，并探讨了混合框架的优势及未来挑战。
2025-10-14 cs.AI cs.LG physics.app-ph
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
Nanophotonic soliton-based microwave synthesizers
微波光子技术将载波向上移动到光域，以大大减少的分数带宽促进超宽带电子信号的生成和处理，与传统电子产品相比，有可能实现更优越的性能。对于微波光子应用，如滤波器，相干雷达，亚噪声检测，光通信和低噪声微波产生，频率梳是关键的构件。凭借孤子微梳，频率梳现在可以使用CMOS兼容的光子集成电路，低功耗和低噪声工作，并已在系统级的演示。然而，目前开发的光子集成微梳都以显著超出常规电子器件可以检测和处理的重复率操作，从而使其在微波光子学中的用途更加复杂。在这里，我们展示了集成的孤子微梳工作在两个广泛采用的微波波段，X和K波段。这些器件可以在3 dB带宽内产生300多条梳状线，并在10 kHz（1 MHz）偏移频率下产生相位噪声水平低于105 dBc/Hz（140 dBc/Hz）的微波信号，与现代电子微波合成器相当。此外，孤子脉冲流可以被注入锁定到微波信号，从而在与硅基激光器兼容的功率水平（<150 mW）下实现无致动器的重复频率稳定、调谐和微波光谱纯化。我们的研究结果建立光子集成孤子微梳作为可行的集成低噪声微波合成器。此外，低重复率对于未来密集WDM信道生成方案是关键的，并且可以显著降低光子集成频率合成器和原子钟的系统复杂度。
2019-11-25 physics.app-ph physics.optics
Stimulated Raman Scattering in Nonlinear Silicon Nanophotonic Waveguides: Theory and Applications in Photonic Integrated Circuits
本文综述受激拉曼散射的基本理论、在硅基光子集成电路中的应用与增强途径，并梳理近十年关键实验演示，以克服硅间接能带导致的高效光源难题。
2024-12-03 cs.SY eess.SP eess.SY
Frequency-stable nanophotonic microcavities via integrated thermometry
针对集成光子器件的热扰动难题，提出基于薄膜金属电阻测温的硅基高Q微腔全集成温控方案，实现微腔波长高精度稳定，显著降低DFB激光频率漂移，还可无光电探测稳定孤子Kerr梳。
2025-10-03 physics.app-ph physics.optics
Overcoming Thermo-Optical Dynamics in Broadband Nanophotonic Sensing
集成光子学的进步为使用高品质因数纳米光子腔实现超高灵敏度和带宽的批量制造光学传感器打开了令人兴奋的机会。灵敏度随着光功率的提高而提高，然而，微米级模体积内的局部吸收和加热显著地使腔谐振失真，并且将传感器响应强烈地耦合到热动力学，从而限制了灵敏度并阻碍了宽带时间相关信号的测量。在这里，我们推导出一个频率相关的光子传感器的传递函数，占热光动力学和定量描述测量的宽带光机械信号从集成的光子原子力显微镜纳米机械探针。使用该传递函数，探针可以在高光功率、强热光非线性区域中操作，达到$\approx$ 0.4 fm/Hz $^{1/2}$的灵敏度，相对于线性区域中的最佳性能改进了$\approx 10\times$。反直觉地，我们发现，较高的转换增益和灵敏度获得较低的品质因数的光学模式，为低信号频率。不限于光机械传感器，推导出的传递函数一般是有效的，用于描述小信号的动态响应的广泛的技术上重要的光子传感器的热光效应。
2021-01-19 physics.app-ph physics.optics
On-chip detection of spin-selective routing in plasmonic nanocircuits
在芯片上操纵和控制光的时间和空间演化对于未来平面集成纳米光子学的信息处理至关重要。在经典宏观几何光学中可以独立处理的光的自旋和轨道角动量，在亚波长尺度上似乎是耦合的。我们使用自旋轨道相互作用的等离子体非手性纳米耦合器，单向激发表面等离子体极化激元模式在无缝集成等离子体缝隙波导传播。在所提出的纳米光子电路中的自旋相关的光的流动允许通过集成两个基于锗的等离子体波导光电探测器来对入射光子的自旋状态进行片上电检测。因此，我们的设备作为一个紧凑的（$\sim$ 6 $\times$ 18 $μ$ m $^2$）的光子自旋霍尔动力学的电传感器。所展示的配置为开发高度集成的偏振控制光学器件开辟了新的途径，这些器件将利用自旋自由度来操纵和控制纳米光子系统中的亚波长光学模式。
2018-10-16 physics.app-ph physics.optics
ITO-Based Microheaters for Reversible Multi-Stage Switching of Phase-Change Materials: Towards Miniaturized Beyond-Binary Reconfigurable Integrated Photonics
诱导大的折射率变化是可重构光子结构的圣杯，这一目标长期以来一直是发现新光学材料平台的驱动力。近年来，Ge-Sb-Te（GST）基相变材料在非晶态和晶态之间的折射率差异引起了可重构集成纳米光子学的极大关注。在这里，我们介绍了一个微加热器平台，采用光学透明和导电的铟锡氧化物（ITO）桥的快速和可逆的电气开关的GST相之间的结晶和非晶态。通过适当分配的电脉冲施加到ITO微加热器，我们表明，我们的平台允许注册几乎任何中间结晶状态到GST膜集成的顶部设计的微加热器。更重要的是，我们证明了GST相之间的非晶态和晶态的完全可逆性。为了展示使用这种混合GST/ITO平台用于小型化集成纳米光子结构的可行性，我们将我们设计的微加热器集成到马赫-曾德尔干涉仪的臂中，以实现与现有集成光子架构相比具有数量级更小的足迹的电可重构光学移相器。我们表明，光信号的相位可以逐渐转移到多个中间状态使用的结构，可以潜在地小于一个单一的波长。我们相信，我们的研究展示了在混合PCM光子器件中使用光学功能的超越二进制重新配置来形成全新的小型化可重新配置集成纳米光子学的可能性。
2020-03-20 physics.app-ph physics.optics
Nanophotonic modal dichroism: mode-multiplexed modulators
随着衍射极限的逼近，每面积集成更多功能的器件小型化变得越来越具有挑战性。在这里，我们提出了一种新的策略，以增加单位面积的功能，利用波导系统的模态特性。利用这种方法，提出了一种依赖于图案化氧化铟锡的模式选择性吸收的模式复用纳米光子调制器的设计。在1550 nm的电信波长下工作的器件的全波模拟表明，两个模式可以独立地调制，同时保持与最近文献中报道的传统单模ITO调制器一致的性能。所提出的设计原则可以铺平道路，一类新型的模式复用紧凑的光子器件，能够有效地倍增的功能，每面积的集成光子系统。
2017-05-12 physics.app-ph physics.optics
An Ultra-compact Nanophotonic Optical Modulator using Multi-State Topological Optimization
光调制器是光子电路的重要组成部分。在这里，我们设计、制造和表征了硅中的纳米光子全光调制器（NOM），其比任何先前的硅调制器小一个数量级，并且表现出比替代品大一个数量级的消光比和可操作光谱。模拟结果表明，在中心波长为1.55 μ m，带宽为10 nm的情况下，器件的消光比约为9.5dB，对应的单位长度消光比约为3.2dB/μm。我们的器件与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺完全兼容。该器件是使用多态拓扑优化设计的光子器件的一个例子，并将导致一类新的超紧凑和多功能有源集成硅器件。
2017-11-19 physics.app-ph physics.optics
Deterministic Laser Writing of Spin Defects in Nanophotonic Cavities
本研究利用纳秒脉冲激光在4H-碳化硅光子晶体腔中直接写入自旋缺陷，实现实时原位形成与表征，无需退火，为量子网络节点中腔-发射体耦合工程提供新途径。
2022-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nonlinear nanophotonic devices in the Ultraviolet to Visible wavelength range
虽然发明的第一个激光器在可见光下工作，但第一个片上器件在电信需求的驱动下针对近红外（IR）性能进行了优化。然而，随着集成光子学的应用范围不断扩大，对波长的需求也越来越大，我们现在正在回归可见光（Vis）并推进紫外线（UV）。这种转变需要在器件设计和材料方面进行创新，并利用非线性行为来达到这些波长。这篇综述讨论了关键的非线性现象，可以使用，以及提出了几个新兴的材料系统和设备，已经达到了紫外-可见波长范围。
2020-06-14 physics.app-ph physics.optics
Ultra-broadband nanophotonic phase shifter based on subwavelength metamaterial waveguides
光学移相器广泛应用于集成光学中，不仅用于电信和电信应用，而且用于传感器和量子计算。虽然已经展示了各种有源解决方案，但仍然缺乏无源移相器的进展。在这里，我们提出了一种新型的超宽带90°移相器，它利用了亚波长超材料波导的各向异性和色散工程。我们的Floquet-Bloch计算预测，在从1.35 $μ$ m到1.75 $μ$ m的前所未有的操作范围内，即覆盖E、S、C、L和U电信频带的400 nm带宽，相移误差低于$\pm$ 1.7°。即使在$\pm$ 20 nm的制造误差存在下，我们的移相器的平坦光谱响应也能保持，表现出比传统结构更大的鲁棒性。我们的设备进行了实验证明，使用标准的220 nm厚的SOI晶片，显示了四倍减少的相位变化相比，传统的移相器在145 nm的波长范围内，我们的测量设置。该亚波长工程移相器为新型超宽带光子集成电路的研制奠定了基础。
2019-07-18 physics.app-ph physics.optics
Passive All-Optical Nonlinear Neuron Activation via PPLN Nanophotonic Waveguides
National University of Singapore（新加坡国立大学）
本研究提出了一种基于PPLN波导的被动全光非线性激活方法，实现了80%的转换效率，展示了在神经推理中的应用潜力，与数字实现性能相当。
2026-03-06 physics.app-ph physics.optics
Machine Learning enables Design of On-chip Integrated Silicon T-junctions with footprint of 1.2 $μ$m x 1.2 $μ$m
迄今为止，已经采用各种优化算法来设计和改善纳米光子结构的性能。在这里，我们建议利用机器学习算法，即二进制加性强化学习算法（b-ARLA）结合时域有限差分（FDTD）模拟来设计超紧凑和高效的片上集成纳米光子50：50分束镜（T型结）。在这里，我们提出了两个T型接头分配器的设计，每个分配器的占地面积仅为1.2 $μ$ m x 1.2 $μ$ m。据我们所知，这些设计是迄今为止在模拟或实验中报告的最小设计之一。第一T形接头设计的模拟净功率传输效率为~ 82%，第二设计为~ 80% $at 4λ= 1.55 μ$ m。我们设想的设计方法，如本文所报道的，将是有用的，一般用于设计任何有效的集成光子器件的光通信系统。
2020-11-27 physics.app-ph physics.optics
Optical parametric oscillation in silicon carbide nanophotonics
碳化硅（SiC）正迅速成为实现非线性和量子光子学的领先平台。在这里，我们发现，商业SiC，其中主机的各种自旋量子位，具有低的光吸收，可以使SiC集成光子与品质因数超过$10^7$。我们制作了品质因数高达110万的微谐振腔，并观察到低阈值（8.5 $\pm$ 0.5 mW）的光参量振荡以及跨越200 nm的光学微梳。我们的演示是利用SiC独特光学特性的光子器件开发的重要里程碑，为非线性光子学与基于自旋的量子技术的单片集成铺平了道路。
2020-04-29 physics.app-ph physics.optics
Multi-objective Inverse Design of Solid-state Quantum Emitter Single-photon Sources
单固态量子发射器为实现不可区分的单光子源提供了相当大的潜力，这是许多光子量子信息系统的核心。具有多个性能指标的纳米光子几何优化对于将裸量子发射器转换为接近量子光子学的必要纯度、不可分割性和亮度水平的单光子源是必要的。我们提出了一种逆向设计方法，同时针对高性能量子光源的两个重要指标：Purcell辐射率增强和耦合效率到所需的光收集通道。我们明确地解决几何相关的功率发射，一个关键的，但往往被忽视的方面，基于梯度的优化量子发射器单光子源。我们通过基于GaAs纳米光子结构中的量子发射器的单光子源的设计说明了我们的方法的功效，该GaAs纳米光子结构提供了具有94%波导耦合效率的Purcell因子$F_p=21$，同时尊重几何约束以最小化蚀刻侧壁的发射器退相干。我们的研究结果表明，多目标逆向设计可以产生更有利的权衡比传统的方法的基础上预先建立的波导或腔的几何形状的竞争力的性能。
2022-06-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A hidden advantage of van der Waals materials for overcoming limitations in photonic integrated circuitry
本文研究了基于WS2的范德华材料波导，发现其垂直于原子层方向的光学各向异性非但不是阻碍，反而能扩大单模传播参数范围并改善器件特性，为纳米光子器件设计提供了新机遇。
2023-03-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
A directional Gaussian smoothing optimization method for computational inverse design in nanophotonics
基于局部梯度的优化方法缺乏在非凸景观中逃离局部极小所需的非局部探索能力。作者最近提出了方向高斯平滑（DGS）方法（Zhang等人，2020），并用于定义一个真正的非局部梯度，称为DGS梯度，以实现高维黑盒优化中的非局部探索。有希望的结果表明，用非局部DGS梯度代替传统的局部梯度可以显着提高基于梯度的方法在优化高度多模态损失函数方面的性能。然而，目前的DGS方法是专为无界和无约束优化问题，使其不适用于现实世界的工程设计优化问题，调整参数往往是有界的，损失函数通常是由物理过程的约束。在这项工作中，我们建议扩展DGS方法的约束逆设计框架，以找到一个更好的设计。所提出的框架具有可移植性和灵活性的优势，自然地将参数化，物理模拟，目标制定在一起，建立一个有效的逆向设计工作流程。为提高算法的计算效率和鲁棒性，提出了一系列平滑半径和学习率更新的自适应策略。为了实现清晰的二值化设计，在参数化中对投影强度施加动态增长机制。我们的方法是证明了设计一个纳米级波长解复用器的例子，并显示出优越的性能相比，国家的最先进的方法。通过结合体积约束，优化设计实现了同等的高性能，但显着减少了材料的使用量。
2020-12-27 math.OC physics.app-ph
Metasurface Integrated Monolayer Exciton Polariton
单层过渡金属二硫属化物（TMD）是第一个真正的二维（2D）半导体，提供了一个很好的平台，研究光与物质的相互作用在2D极限。除了基本的科学探索，这种材料系统由于其独特的光电特性，在纳米光子器件领域引起了积极的研究兴趣。单层TMD中固有的强激子响应可以通过利用纳米光子结构中光的时间限制来进一步增强。介电超颖表面就是这样一种二维纳米光子结构，最近已经证明了其强大的潜力，不仅可以简化现有的光学元件，而且可以创建全新的设计光学器件。除了无源光学元件，研究人员现在正在探索使用新兴材料的有源超颖表面，以及超颖表面的效用，以增强光与物质的相互作用。在这里，我们展示了一个2D激子极化激元系统，通过强耦合原子薄二硒化钨（WSe 2）单层的氮化硅（SiN）超颖表面。通过能量-动量谱的WSe 2-metasurface系统，我们观察到的极化激元色散的反射和光致发光光谱的特征反交叉。拉比分裂的18毫电子伏，观察匹配以及与我们的数值模拟。纳米图案化超颖表面的衍射效应也导致高度定向的极化激元发射。最后，我们证明了拉比分裂，极化激元色散和远场发射模式可以通过亚波长尺度的光学亚原子工程来定制。因此，我们的平台打开了大门，为未来发展的新颖的，异国情调的激子极化激元器件的先进的元光学工程。
2020-04-14 physics.app-ph physics.optics
Polarization and wavelength agnostic nanophotonic beam splitter
高性能的光学分束镜对于先进硅光子集成电路的发展具有重要意义。然而，由于绝缘体上硅平台的高折射率对比度，现有技术的Si分光器受到带宽、偏振依赖性和对制造误差的敏感性的权衡的阻碍。在这里，我们提出了一种新的策略，利用模式工程开槽波导，以克服这些限制，使超宽带偏振不敏感的光功率分配器，与宽松的制造公差。所提出的分路器依赖于一个单模缝隙波导，该缝隙波导通过对称的锥形转变为两个条形波导，从而产生等功率分路。基于这一概念，我们通过实验证明了$\pm$在前所未有的390 nm带宽（1260 - 1650 nm）中的0.5 dB偏振无关传输，甚至在波导宽度偏差高达$\pm$ 25 nm的情况下也是如此。
2018-06-25 physics.app-ph physics.optics
A Reconfigurable Nanophotonics Platform for Sub-Millisecond, Deep Brain Neural Stimulation
纳米光子学提供了在紧凑的平台上快速精确地重新配置光束的能力。红外纳米光子器件被广泛用于数据通信，以克服传统的电互连的带宽限制。纳米光子器件也有望用于需要可见光的生物应用，但由于在这些较小尺寸下重新配置和引导光的挑战，这在技术上仍然难以实现。例如，在神经科学中，需要可植入的光学设备来光遗传地刺激大脑深部区域的神经元，其速度和精度与最先进的记录探针相匹配。在这里，我们展示了第一个可重构的纳米光子器件在可见光波长范围内的平台，并显示其在大脑中的应用。我们展示了一种植入式探头，具有快速切换和路由多个光束使用纳米级切换网络的能力。每个开关由氮化硅波导结构组成，该结构可以通过电调谐光的相位来重新配置，并且设计用于对制造变化的鲁棒性，从而实现可扩展的设备。通过将我们的探针植入小鼠视觉皮层，我们证明了在体内刺激跨层识别的神经元组以产生多神经元尖峰模式并以亚毫秒的时间精度同时记录它们的能力。这种纳米光子平台可以扩展并与高密度神经记录技术集成，为植入式探针技术打开了大门，该技术能够以亚毫秒的精度同时记录和刺激大脑远端区域的大型神经群体的活动。我们希望这个平台能够使研究人员更深入地了解神经代码的时空精度。
2018-05-14 physics.app-ph physics.optics
Spectral domain inverse design for accelerating nanocomposite metamaterials discovery
纳米光子学背景下的逆向设计技术有助于发现紧凑和反直觉的结构/形状。我们引入了谱域逆设计的概念来搜索纳米复合超材料的光学交换空间（色散介电常数）。我们开发了一种混合优化技术，结合遗传算法和梯度下降法。我们利用这种技术来逆向设计超薄热光伏发射器涂层材料。我们的工作可以导致一个有效的方法来寻找新的多功能光学/热超材料与所需的复介电常数。
2019-11-19 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Blue Microlasers Integrated on a Photonic Platform on Silicon
III族氮化物纳米光子电路的主要兴趣是有源结构和激光源的集成。展示了集成在硅上并在蓝色光谱范围内发射的III族氮化物微盘激光器的光子平台。主动微盘侧耦合到悬浮总线波导，和耦合的发射被引导和外耦合到自由空间使用光栅耦合器。在蓝色光谱范围内，光盘和波导之间需要小于100 nm的小间隙尺寸，以实现最佳的倏逝波耦合。为了避免波导中微盘发射的再吸收，量子阱从波导蚀刻掉。在连续波激励下，观察到大于2000的加载品质因数的回音壁模式的小间隙和大波导弯曲角的设备。在脉冲激发条件下，激光被证明为3 $μ$ m直径的微盘集成在一个完整的光子电路。因此，我们提出了第一个示范的III族氮化物微激光器耦合到纳米光子电路。
2019-04-05 physics.app-ph
