Three-dimensional integration enables ultra-low-noise, isolator-free Si photonics
虽然光子集成电路（PIC）被广泛应用于电信和数据中心互连等应用中，但能够在高精度、高相干应用中取代大体积光学器件和光纤的PIC将需要超低噪声激光源与其他光子元件以紧凑和稳健的对齐格式集成在一起，即在单个芯片上。这种PIC可以为复杂的功能和批量生产提供卓越的可扩展性，并随着时间的推移提高稳定性和可靠性。然而，有两个主要问题阻碍了这种设想的PIC的实现：半导体激光器的高相位噪声，以及直接在芯片上集成光隔离器的困难。尽管PIC在尺寸、重量、功耗和成本（SWaPC）方面具有优势，但在微波合成器、光学陀螺仪和原子钟等光学系统中，它们仍然被认为是较差的解决方案。在这里，我们通过在硅光子学中引入三维（3D）集成来挑战这一惯例，从而实现超低噪声、无隔离器的PIC。通过多个单片和异构处理序列，直接片上集成的III-V增益和超低损耗（UWB）氮化硅（SiN）波导的光损耗约为0.5 dB/m。因此，演示的PIC进入一个新的制度，这样一个集成的超高Q腔降低激光噪声接近光纤激光器。此外，该腔充当任何下游片上或片外反射引起的不稳定的有效阻挡，从而消除了对光学隔离器的需要。我们进一步展示了无隔离器，广泛可调，低噪声，外差微波发电使用两个超低噪声激光器在同一个硅芯片。
2023-01-19 physics.app-ph physics.optics
Monolithically integrated, broadband, high-efficiency silicon nitride-on-silicon waveguide photodetectors in a visible-light integrated photonics platform
可见和近红外光谱光子集成电路正迅速成为解决量子信息和生物传感中的缩放挑战的关键技术。到目前为止，该光谱范围内的集成光子平台缺乏集成光电探测器。在这里，我们报告的第一个硅波导氮化硅光电探测器，单片集成在硅上的可见光光子平台。由于漏波硅基氮化硅设计，该器件在$λ$ ~400 nm ~640 nm的记录波长范围内实现了> 60%的高外量子效率，光电带宽高达9 GHz，雪崩增益带宽积高达173 $\pm$ 30 GHz。作为一个例子，光电探测器与波长可调谐微晶体管集成在一个芯片上，用于片上功率监测。
2022-09-21 physics.app-ph physics.optics
Critical nonreciprocity in gyrotropic coupled-waveguide system for TE-mode optical isolator and circulator
针对TE模光隔离器性能不足的问题，提出基于TMOKE耦合波导模式拍频的新原理，结合倏逝耦合硅波导与磁光效应实现非互易传播，仿真得到500μm长、20dB隔离带宽35nm的器件，助力光子电路小型化。
2025-02-21 physics.app-ph physics.optics
Magnetic-Free Silicon Nitride Integrated Optical Isolator
集成光子学使得能够使用光子集成电路（PIC）进行信号合成、调制和转换。已经开发了许多材料，其中氮化硅（Si $_3$ N $_4$）已经成为特别是用于非线性光子学的领先平台。低损耗Si $_3$ N $_4$ PIC已广泛用于频率梳产生、窄线宽激光器、微波光子学、光子计算网络，甚至表面电极离子阱。然而，在Si $_3$ N $_4$集成光子学的所有已展示功能中，尚未实现光学非互易装置，例如隔离器和循环器。传统上，它们是基于磁光材料在外部磁场下的法拉第效应来实现的。然而，集成不与CMOS兼容并且需要庞大的外部磁体的磁光材料一直具有挑战性。在这里，我们展示了一个无磁光隔离器的基础上氮化铝（AlN）压电调制器单片集成在超低损耗硅$_3$ N $_4$ PIC。透射互易性通过Si $_3$ N $_4$微谐振器与三个AlN体声波谐振器的时空调制被打破，所述三个AlN体声波谐振器用旋转相位驱动。这种设计产生了一种有效的旋转声波，允许在一对强耦合的光学模式之间仅在一个方向上进行间接带间跃迁。在施加到每个致动器的100 mW RF功率下实现最大10 dB隔离，最小插入损耗为0.1 dB。隔离度在近30 dB的光输入功率动态范围内保持恒定，表现出出色的光学线性。我们的集成、线性、无磁、电驱动光学隔离器可以成为集成激光器、芯片级LiDAR引擎以及超导电路光学接口的关键构建模块。
2021-05-03 physics.app-ph physics.optics
Magnetic-free traveling-wave nonreciprocal superconducting microwave components
提出了一种利用超导电路元件实现集成宽带非互易微波隔离器和环行器的设计方案。为了获得宽带响应，我们开发了一个基于波导的设计，通过时间调制。相应的紧凑型行波结构实现与集成超导复合右/左手传输线。计算结果表明，在20 dB的非互易隔离度下，可以实现580 MHz的带宽。这种片上隔离器和循环器可用于低温集成微波连接和测量，例如保护量子位免受多路复用读出中放大的反射信号的影响。
2021-06-05 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Microwave resonator-enabled broadband on-chip electro-optic frequency comb generation
本文针对谐振电光梳电功率利用效率低和需要射频隔离器的问题，提出基于薄膜铌酸锂平台集成共面微波谐振器电极的射频友好型电光频率梳发生器，在约25 GHz重复频率下实现电功率降低三倍以上、反射极小，并以740 mW驱动功率实验生成跨度大于85 nm的宽带电光频率梳。
2024-08-01 physics.app-ph physics.optics
100 GHz Micrometer compact broadband Monolithic ITO Mach Zehnder Interferometer Modulator enabling 3500 times higher Packing Density
电光调制器在光收发器中提供关键功能，并且越来越多地在用于机器学习和信号处理的光子可编程专用集成电路（ASIC）中提供关键功能。然而，铸造就绪的基于硅的调制器和利用锂酸盐的基于常规材料的装置两者在同时提供高芯片封装密度和快速度方面都有不足。电流驱动的基于ITO的调制器具有通过有效的光物质相互作用实现两者的潜力。在这里，我们介绍微米紧凑型马赫曾德尔干涉仪（MZI）的调制器能够超过100 GHz的开关速率。在光子波导上集成ITO薄膜，光谱宽带，紧凑型MZI移相器。值得注意的是，这允许在相同的芯片面积内集成超过3500个这些调制器作为仅一个单个硅MZI调制器。本文介绍的调制器设计具有基于光子、电子和RF的整体优化，并包括非对称MZI调谐步骤，以优化消光比（ER）与插入损耗（IL）和电介质厚度扫描，从而平衡ER和速度之间的权衡。在CMOS兼容偏置电压电平的驱动下，该器件是第一款满足机器智能革命中下一代调制器对处理器的需求，以及边缘和云计算需求以及光收发器等需求的器件。
2022-03-24 physics.app-ph physics.optics
Electrically-driven Acousto-optics and Broadband Non-reciprocity in Silicon Photonics
基于光子和声子之间可定制的相互作用的新兴技术承诺了从高保真微波信号处理到非互易光学和量子态控制的新能力。虽然已经在各种物理系统中研究了这种光-声耦合，但许多实现依赖于非标准材料和制造方案，这些非标准材料和制造方案难以与标准集成光子电路共同实现。值得注意的是，尽管在集成电光调制器方面取得了重大进展，但相关的声光调制器概念在硅光子学中仍然相对未被探索。在这篇文章中，我们演示了直接声光调制硅波导内使用电驱动表面声波（SAW）。通过将SAW换能器集成在具有标准绝缘体上硅光子平台的压电AlN中，我们利用硅的强弹光效应来调解线性光-声耦合。通过光刻设计，声光相位和单边带幅度调制器在1-5 GHz的范围内制造，表现出与现有的电光技术相媲美的折射率调制强度。将这种行波声光相互作用扩展到厘米级，我们在硅中创建了电驱动的非互易调制器。非互易工作带宽>100 GHz，插入损耗<0.6 dB。基于这些结果，我们表明，一个强大的声光隔离器所必需的单位效率的非互易调制，是触手可及的。声光调制器设计与CMOS制造和现有的硅光子器件技术兼容。这些结果代表了一种有前途的新方法，实现紧凑和可扩展的声光调制器，移频器，和非磁性光隔离器和环行器的集成光子电路。
2020-04-02 physics.app-ph physics.optics
High Discrimination Ratio, Broadband Circularly Polarized Light Photodetector Using Dielectric Achiral Nanostructures
本文提出利用非手性全介电纳米结构实现宽带圆偏振光光电探测器，在405 nm处判别比达约10^7，无需强度校准即可在可见光波段实现高性能单片CPL检测。
2024-05-19 physics.app-ph physics.optics
Broadband single-mode planar waveguides in monolithic 4H-SiC
碳化硅中的色心缺陷有望在计算、传感和通信等多个领域实现光电子量子应用。为了缩小规模并将这些功能与现有的硅器件平台相结合，考虑SiC集成光学至关重要。近年来，已经展示了许多SiC光子平台的例子，如光子晶体腔、绝缘体上薄膜波导和微环谐振器。然而，所有这些实例都依赖于从衬底晶片分离SiC的薄膜。这在材料中引入了显著的表面粗糙度、应变和缺陷，这极大地影响了色心光学性质的均匀性。在这里，我们提出并测试了一种方法，用于制造单片单晶集成光子器件在SiC：通过载流子浓度调谐光学性能。我们制作了单片SiC n-i-n和p-i-n结，其中本征层作为波导核心，并证明了这些样品的波导功能。传输损耗低于14 dB/cm。这些波导类型允许在宽波长范围内寻址色心，具有低应变引起的光学跃迁频率的不均匀性。此外，我们希望我们的研究结果开辟了道路，以制造波导和设备的基础上的p-i-n结，这将允许集成的静电和射频（RF）控制与高强度的光学控制碳化硅中的缺陷。
2022-02-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Monolithic photonic circuits for Kerr frequency comb generation, filtering and modulation
基于三阶非线性效应（$χ^{(3)}$）的微谐振腔克尔频率梳在光学时钟、脉冲整形、光谱学、电信、光探测和测距（LiDAR）以及量子信息处理等领域有着广泛的应用。这些应用中的许多需要对所生成的频率梳信号进行进一步的频谱和时间控制，这通常使用具有强二阶非线性的附加光子元件（$χ^{(2)}$）来实现。到目前为止，由于材料限制，这些功能在很大程度上被实现为分立的片外组件，这是以额外的系统复杂性和增加的光损耗为代价的。在这里，我们演示了在单个单片集成芯片上的频率梳的产生、滤波和电光调制，使用同时具有大的$χ^{(2)}$和$χ^{(3)}$非线性和低光学损耗的薄膜锂酸盐（LN）光子平台。我们使用色散工程高品质因数LN微谐振器产生宽带克尔频率梳，使用电可编程分插滤波器选择单个梳状线，并调制所选线的强度。我们的研究结果为光谱数据通信，测距和量子光子学的单片集成频率梳解决方案铺平了道路。
2018-09-23 physics.app-ph physics.optics
Microcantilever-integrated photonic circuits for broadband laser beam scanning
本文提出一种微悬臂集成光子电路激光束扫描器，在约0.1 mm²面积和31-46 mW功耗下实现410-700 nm宽带一维和二维光束转向，兼具紧凑、宽带和低功耗优势。
2022-10-11 physics.app-ph physics.optics
Monolithic piezoelectric control of soliton microcombs
高速激光频率驱动在所有采用激光器和频率梳的应用中是至关重要的，并且是锁相、频率稳定和多个光载波之间的稳定性传递的先决条件。孤子微梳已成为芯片级、宽带、低功耗的频率梳源，但目前依赖于热加热器驱动的集成微梳的驱动带宽仅为千赫兹。因此，高速致动和锁定的微梳已经实现了只有与芯片外体调制器。在这里，我们提出了高速微梳驱动使用集成组件。通过在超低损耗Si3N4光子电路上单片集成压电AlN驱动器，我们实现了电压控制孤子的调谐、调制和稳定。集成的AlN致动器具有双向调谐功能，具有高线性度和低滞后，工作功率为300 nW，在高达兆赫的频率下表现出平坦的致动响应，大大超过了大体积压电调谐带宽。我们使用这种新的能力，以展示一个并行FMCW激光雷达的微梳引擎，通过同步调谐激光器和微谐振器。通过以与HBAR模式的频率间隔匹配的调制速率应用三角扫描，我们利用体声波能量的谐振积累来显著降低所需的驱动到仅7伏的CMOS电压。我们的方法赋予孤子微梳集成，超低功耗，快速驱动，显着扩大了技术应用的剧目。
2020-01-28 physics.app-ph physics.optics
"Zero change" platform for monolithic back-end-of-line integration of phase change materials in silicon photonics
提出“零改动”后端集成平台，通过氮化硅刻蚀停止层和氧化物沟槽集成相变材料，实现零静态功耗调谐，显著降低开关功耗并支持多位强度调制。
2023-08-30 physics.app-ph physics.optics
Physics-Aware Machine-Learning-Driven Inverse Design of Broadband Ultra-Open Acoustic Metamaterials
Boston University（波士顿大学）
本文提出一种结合物理知识的机器学习逆向设计框架，用于设计超开放声学消音器，通过分阶段预测架构和混合目标并行策略，实现高效优化并验证了多种原型，展示了广谱性能和高通风比。
2026-05-15 physics.app-ph
Broadband Waveguide-Coupled Photodetectors in a Submicrometer-Wavelength Silicon Photonics Platform
本文报道在代工厂制造的短波长硅光子学平台中单片集成的波导耦合光电探测器，两种变体覆盖400–955 nm，并实现高效率、低暗电流、18 GHz带宽及374 GHz增益带宽积。
2025-09-27 physics.app-ph physics.optics
Polarization-sensitive and broadband photodetection based on a mixed-dimensionality TiS3/Si p-n junction
检测光的偏振状态的能力在许多日常生活应用和科学学科中至关重要。新型各向异性二维材料如TiS3结合了偏振灵敏度，由面内光学各向异性给出，具有优异的电学性能。在这里，我们展示了基于混合维度的TiS3/Si pn结的单片偏振敏感宽带光电探测器的制造。所制备的器件显示出高达1050 nm的宽带响应度，对线偏振照明的强灵敏度，两个正交偏振态之间的差异高达350%，以及良好的探测率和快速的响应时间。所讨论的器件可以用作构建模块，以制造更复杂的偏振敏感系统，如偏振计。
2020-09-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nonreciprocal Inter-band Brillouin Modulation
在光子电路中实现非互易光传播对于控制信号串扰和光学后向散射是必不可少的。然而，在低损耗集成光子系统中实现高保真非互易性仍然具有挑战性。在本文中，我们实验证明了一种基于非局域声光光散射的器件概念，在集成的硅光子平台中产生非互易单边带调制和模式转换。在该过程中，通过硅波导中的光学力驱动的行波声学声子用于通过线性带间布里渊散射过程调制空间分离的波导中的光。我们证明了高达38 dB的非互易性与37 dB的单边带抑制。与现有的基于布里渊和光力学的非互易性方案相比，该散射过程的带宽通过光学相位匹配而不是声学或光学谐振来设置。因此，实现了超过125 GHz的创纪录的大带宽，并有可能通过光色散工程进行进一步的重大改进。非互易调制器的工作波长在35 nm带宽的可调谐性证明通过改变光泵浦波长。这种行波声光调制器为在集成光子电路中实现宽带、低损耗的隔离器和环行器提供了一条很有前途的途径。
2018-08-10 physics.app-ph physics.optics
Inverse-designed photonic circuits for fully passive, bias-free Kerr-based nonreciprocal transmission and routing
隔离器和环行器等非互易器件是微波和光频通信系统的关键使能技术。虽然基于磁效应的非互易器件可用于自由空间和光纤通信系统，但它们的片上集成一直具有挑战性，主要是由于伴随的高插入损耗、弱磁光效应和材料不兼容性。我们表明，克尔非线性谐振器可用于实现全无源，低损耗，无偏置，宽带非互易传输和路由应用在光子系统，如芯片级激光雷达。多端口非线性Fano谐振器被用作基于频率梳的距离测量的片上全光路由器。由于时间反演对称性对单个非线性谐振器的工作功率范围和传输施加了严格的限制，因此我们实现了级联的Fano Lorentzian谐振器系统，该系统克服了这些限制，并显着改善了当前最先进设备的插入损耗，带宽和非互易功率范围。这项工作提供了一个平台无关的设计，非互易传输和路由，非常适合光子集成。
2019-05-13 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
Hybrid Integrated Photonics Using Bulk Acoustic Resonators
微波频率的声光调制是通过激发光子堆中的高泛音体声波谐振（HBAR谐振）来实现的。这些受限的机械应力波传输表现出垂直传输的、高品质因数（Q）的声学法布里-珀罗谐振，其延伸到千兆赫域中，并且提供与微谐振器的光学模式的应力-光学相互作用。虽然HBAR在现代通信中无处不在，并且经常在超导电路中使用，但这是第一次将它们集成到基于光子电路的芯片上。在光学模式内观察到的电-声-光相互作用表现出高致动线性度、低致动功率和可忽略的串扰。利用电-声-光相互作用，实现了亚纳秒转导时间的快速光学谐振调谐。通过去除硅背反射，实现了4.1和8.7 GHz的宽带声调制，3 dB带宽分别为250 MHz。这里展示的新型混合HBAR纳米光子平台允许在芯片上集成微米级声学和光子谐振器，可以立即应用于可调谐微波光子学，高带宽孤子微梳稳定，紧凑型光电振荡器以及微波到光学转换方案。此外，混合平台允许实现动量偏置，这允许实现芯片上的非互易器件，例如隔离器或循环器和拓扑光子带结构。
2019-07-23 physics.app-ph physics.optics
Photonic RF channelizer based on a 90 wavelength optical soliton crystal 49GHz Kerr microcomb
我们报告了一个宽带射频（RF）信道化器与多达92个通道使用一个相干的微梳源。利用49 GHz微环谐振器（MRR）产生的孤子晶体微梳作为多波长光源。由于其超低的梳齿间距，在C波段可使用多达92个波长，从而产生宽的工作带宽。另一个高Q MRR被用作无源光学周期滤波器，以121.4MHz的高分辨率对RF频谱进行切片。我们通过实验实现了8.08 GHz的瞬时RF工作带宽，并通过热调谐验证高达17.55 GHz的RF信道化。我们的方法是朝着单片集成光子RF接收机迈出的重要一步，具有降低的复杂性，尺寸和前所未有的性能，这对于从宽带模拟信号处理到数字兼容信号检测的广泛RF应用非常重要。
2020-04-20 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Single-Chip 1.024 Tb/s Optical Receiver for High-Speed Optical links
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Stanford University（斯坦福大学）
单芯片1.024 Tb/s光学接收机通过高效解复用和反设计光栅耦合器实现高带宽低能耗的高速光链路通信。
2026-01-12 physics.app-ph physics.optics
Chip-scale Full-Stokes Spectropolarimeter in Silicon Photonic Circuits
光的偏振态与波长有关，携带着光与物质相互作用的重要信息。然而，其测量仅限于体积庞大的耗能设备，这阻碍了许多现代便携式应用。在这里，我们提出并演示了一个芯片级的分光偏振计使用CMOS兼容的硅光子技术实现。四个紧凑的游标微谐振器光谱仪单片集成的宽带偏振计组成的2D纳米光子天线和偏振电路，实现全斯托克斯光谱偏振分析。所提出的器件提供了一种固态分光偏振测量解决方案，具有1*0.6 mm 2的小尺寸和360 mW的低功耗。在50 nm的宽光谱范围内，全斯托克斯光谱检测的分辨率为1~nm的表征具有结构手性的材料被证明。所提出的装置可以使分光偏振法在从生物医学诊断和化学分析到观测天文学的领域中得到更广泛的应用。
2020-02-06 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Diamond Mirrors for High-Power Lasers
高功率激光器具有许多科学和工业应用。一些关键领域包括制造业中的激光切割和焊接、聚变反应堆或国防应用中的定向能、医学中的激光手术以及半导体行业中的先进光刻技术。这些应用需要光学部件，特别是反射镜，其承受高的光功率以将光从激光器引导到目标。通常，反射镜由不同折射率和厚度的多层涂层组成。在高功率下，这些层中的缺陷导致光的吸收，从而导致热应力和对反射镜的永久损坏。在这里，我们设计，模拟，制造和演示单片和高反射介质镜，在高激光功率下工作而不损坏。这些镜子是通过在单晶金刚石表面蚀刻纳米结构来实现的，单晶金刚石是一种具有特殊光学和热性能的材料。我们测量的反射率大于98%，并证明使用10千瓦的连续波激光在1070 nm，强度高达4.6 MW/cm 2的无损伤操作。相比之下，在这些激光功率，我们观察到损坏的光学涂层的基础上的标准介质镜。我们的研究结果开创了一种新的宽带光学类别，可在极端条件下工作。
2021-03-03 physics.app-ph physics.optics
Circuit-Level Design, Modeling, and On-Wafer Characterization of a Coplanar THz Optoelectronic Mixer
IEMN, Univ. Lille, CNRS, Univ. Polytechnique Hauts-de-France（里尔大学、法国国家科学研究中心、上法兰西高等学院）；Institut Foton, UMR 6082 / CNRS - Univ Rennes – INSA, France（雷恩大学、法国国家科学研究中心、雷恩国立应用科学学院）
该研究设计并表征了一款太赫兹单片集成电路光电导外差混频器，建立了含光电导体的电路级模型，验证了其宽带性能，为太赫兹光子混频器提供了设计方法
2026-08-05 physics.app-ph
Wideband, Efficient AlScN-Si Acousto-Optic Modulator in a Commercially Available Silicon Photonics Process
该研究在商用硅光子代工工艺上实现了基于AlScN的宽带高效声光调制器，达到112 MHz带宽内-18.3 dB效率，品质因数较现有CMOS兼容方案提升约一个数量级，为低成本集成声光信号处理铺平道路。
2024-02-02 physics.app-ph physics.optics
Compact Non-Volatile Multilevel Sb$_2$Se$_3$ Electro-Optical Switching in the Mid-Infrared Group-IV-Photonics Platform
该研究基于GeOI平台设计了两款嵌入Sb₂Se₃相变材料的中红外2×2电光开关，通过石墨烯微加热器调控相态，实现了低损耗、低串扰的双稳态/多稳态开关及32级电平调控，适用于IV族半导体单片大规模集成。
2024-01-29 physics.app-ph physics.optics
Bidirectional microwave-optical conversion with an integrated soft-ferroelectric barium titanate transducer
本研究提出一种片上三重谐振微波-光学换能器，通过单片集成 BaTiO$_3$-on-SiO$_2$ 波导与 Nb 超导微波谐振器，实现了双向转换，总片外效率达 $1\ imes10^{-6}$，为高效低功率量子互连奠定基础。
2025-01-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
