Development of Photonic Crystal Fiber Based Gas/ Chemical Sensors
开发能够实时检测分析物的高灵敏度和小型化传感器是非常可取的。目前,基于光子晶体光纤(PCF)的有毒或无色气体检测、空气污染监测、有害化学品、压力、应变、湿度和温度传感器由于其结构紧凑、响应速度快和有效的光控制能力而迅速增加。通过改变光子晶体光纤的结构参数和芯包层材料,可以控制光纤中的传播光,从而显著增强倏逝场,这是光子晶体光纤气体/化学传感器的主要组成部分。本章的目的是(1)描述基于PCF的气体/化学传感器的原理操作,(2)讨论用于光学传感器的重要PCF特性,(3)广泛地讨论基于不同类型的微结构光纤的气体/化学传感器,(4)研究不同芯-包层形状和光纤背景材料对传感性能的影响,以及(5)强调基于PCF的气体/化学传感器的主要挑战和可能的解决方案。
2018-01-03 physics.app-ph physics.optics
Multi Mode (Reflection and Transmission) Operated Dielectric Resonator based Displacement Sensor
提出了一种基于多模介质谐振器的位移传感器。一个圆柱形介质谐振器耦合到两个50欧姆微带线,使多模操作功能。反射模式中的S11和透射模式中的S21等参数对DR位移敏感。w.r.to对HFSS进行了数值分析,并对制作的传感器原型进行了VNA测量。HFSS和VNA的响应是在良好的协议彼此为这种多模式操作。这揭示了模式选择的自由度到操作的选择。
2023-02-23 physics.app-ph
Photonic-integrated quantum sensor array for microscale magnetic localisation
本研究将氮空位中心(NVs)与氮化硅光子集成电路集成,实现8个局域NV传感器的可扩展操作与独立读出,结合机器学习完成30μm针尖的微尺度磁定位(误差低于尺寸)及动态跟踪,为磁性微机器人监测等生物医学应用提供可行平台。
2025-11-14 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Piezo-optomechanical cantilever modulators for VLSI visible photonics
可见光波段超大规模集成(VLSI)光子电路在量子信息和传感技术中具有重要的应用前景。可扩展、高速和低损耗的光子网状电路的实现依赖于可靠和精心设计的可见光光子器件。在这里,我们报告了一个低压光学移相器的基础上,压电驱动机械的杠杆,CMOS兼容,200毫米晶圆为基础的可见光光子学平台上制造。我们显示了线性相位和幅度调制与6 V $_π$ -厘米差分工作,-1.5 dB至-2 dB的插入损耗,并高达40 dB的对比度在700 nm - 780 nm的范围。通过调整选定的悬臂梁参数,我们展示了一个低位移和高位移的设备,都表现出一个几乎平坦的频率响应,从直流到峰值机械共振分别在23 MHz和6.8 MHz,通过谐振增强Q~40,进一步降低工作电压下降到0.15 V $_π$ -cm。
2022-01-28 physics.app-ph physics.optics
Hollow-core fiber-based speckle displacement sensor
本文提出并演示了一种利用大芯径管状晶格空芯光纤构建的散斑位移传感器,通过插入并移位单模光纤实现,估计分辨率达0.7微米,拓展了空芯光纤在传感领域的应用。
2022-11-18 physics.app-ph physics.optics
Two-Dimensional Wide Dynamic Range Displacement Sensor using Dielectric Resonator Coupled Microwave Circuit
本文提出了一种利用微波方法的二维、宽动态范围、线性位移传感器。微波传感器电路采用圆柱形介质谐振器,该谐振器邻近耦合到形成在微波衬底上的一对正交微带线。DR搁置在基板上,并且在基板的2D平面上的条带之间自由移位。条带激发DR的特定谐振模式,其强度随着DR接近条带而变化。因此,可以在由DR的谐振模式确定的固定频率下,根据电路的2个端口S参数读出DR位置。这种固定频率传感器在操作上是鲁棒的,并且在实现上是成本有效的,这是该传感器的一个重要方面。初始的一维定位模拟的传感器通过三个固定的代表性的路径上的基板上显示,S参数随位移单调变化。原型测量显示,在3.67 GHz的谐振频率下,水平或垂直位移的动态范围为23 mm,对角位移的动态范围为30 mm。接下来,进行2D定位测试,并演示了从S参数到2D位置的一对一映射的技术。最后,建议的传感器的性能与现有的2D传感器进行比较。
2023-02-23 cs.SY eess.SY physics.app-ph
Design, fabrication, and characterization of electrostatic comb-drive actuators for nanoelectromechanical silicon photonics
本文设计并表征了用于集成纳米机电硅光子电路的紧凑型静电梳齿驱动器,在低电压下实现超过50 nm位移和高机械谐振频率,可用于产生大相移等光学效应。
2023-07-03 physics.app-ph physics.optics
Piezoelectric-based uniaxial pressure cell with integrated force and displacement sensors
我们提出了一种设计的压电驱动的单轴应力单元适用于在环境温度和低温下使用,并结合了位移和力传感器。该单元直径为46 mm,高度为13 mm。它可以施加高达~45 $μ$ m的零载荷位移和高达~245 N的零位移力。通过对施加到样品的位移和力的组合知识,可以快速确定样品及其底座是否保持在其弹性限度内。在对氧化物金属Sr $_2$ RuO $_4$的测试中,我们发现,在室温下,样品的严重塑性形变在约0.2 GPa的单轴应力下开始,而在5 K下,样品变形保持弹性高达近2 GPa。这一结果突出了原位调整的有用性,其中可以在将样品冷却至低温温度后施加力。
2018-10-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Improving the Sensitivity of Fiber Surface Plasmon Resonance Sensor by Filling Liquid in a Hollow Core Photonic Crystal Fiber
受经典理论的启发,我们提出了通过控制光纤芯模来提高D型光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的性能。为了证明这一点,我们提出了一种新的光纤SPR传感器的基础上,空芯光子晶体光纤与液体混合物填充在核心。光纤传感器的设计涉及一个侧面抛光的光纤与金膜沉积在抛光平面和液体填充。数值模拟结果表明,通过调节液体混合物的折射率,预测的灵敏度将超过6,430 nm/折射率单位的水环境,这是有竞争力的光纤化学传感。这种优化方法可能会导致一个高灵敏度的光纤生物传感器。
2018-05-15 physics.app-ph
Real-time ultrasound sensing with a mode-optimized photonic crystal slab
集成光子传感器可以提供大规模、灵活的检测方案。光子晶体板(PCS)利用水中的光弹效应,为宽带、灵敏的超声检测提供了一个小型化平台。然而,与感测介质的差的模态重叠和水介质的不可忽略的吸收损失先前限制了PCS传感器性能。在这项研究中,我们详细介绍了基于PCS的声传感器的开发和优化,通过添加到它的低损耗高折射率聚合物包覆层。利用PCS中存在的模式优化的类TM光学共振,具有高体积折射率灵敏度(>600 nm/RIU)和品质因数Q(>8000),我们展示了在170 Pa(1.9 Pa/rt Hz)的噪声等效压力(NEP)下的实时超声感测。PCS传感器背面耦合到光纤,连同其基于强度的超声波传感架构,将使我们能够轻松扩展到2D阵列。这项工作为一种灵敏的紧凑型超声探测器铺平了道路,用于基于光声的组织诊断和监测。
2021-08-14 physics.app-ph physics.optics
Flying Particle Microlaser and Temperature Sensor in Hollow-Core Photonic Crystal Fiber
回音壁模式(WGM)谐振器将小的光学模体积与窄的谐振线宽相结合,使其成为各种应用的令人兴奋的平台。在这里,我们报告了一个飞行WGM微激光器,实现了通过光学捕获的染料掺杂的微粒内的填充液体的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)使用CW激光,然后泵浦它与脉冲激发激光的波长匹配的染料的吸收带。激光器发射到可以在HC-PCF的端面处检测到的芯引导模式中。利用辐射力,微激光器可以沿着HC-PCF自由推进多厘米的距离-比以前使用镊子和光纤陷阱的实验更远。该系统可用于测量温度与高空间分辨率,通过利用激光模式的温度相关的频移,也用于精确的光传输到远程位置。
2017-10-06 physics.app-ph physics.optics
Design and Analysis of Arc-Shaped Single Core Photonic Crystal Fiber Sensor Based on Surface Plasmon Resonance
本文设计了一种外覆传感材料的弧形单芯PCF-SPR传感器,利用FV-FEM分析金膜及Ta₂O₅涂层的影响,显著提升了灵敏度与分辨率。
2023-07-15 physics.app-ph physics.optics
Photonic Matrix Multiplier Makes a Direction-Finding Sensor
本研究提出一种基于光子矩阵-向量乘法器的光频段波达方向估计集成电路方案,推导了传感条件与性能参数,验证了幺正近似的可行性,可实现低处理需求的实时超紧凑测向。
2024-11-11 physics.app-ph physics.optics
Displacement sensing using bi-modal resonance in over-coupled inductors
本文提出并验证了利用过耦合电感传感器中的双模态共振现象,实现线圈间共面间距和角位移的高精度测量,实验精度达±1mm和±1°。
2023-11-14 physics.app-ph
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
Refractive-Index-based ultrasound sensing with photonic crystal slabs
我们展示了500- $μ\mathrm{m}$直径光子晶体板(PCS)传感器从CMOS兼容技术制造的超声检测。撞击PCS传感器的超声信号引起PCS浸入其中的介质(水)的折射率(RI)的局部调制,导致PCS的光学共振的周期性光谱偏移。发现声学灵敏度与指数灵敏度$S$和品质因数$Q$成比例。噪声等效压力(NEP)为650 Pa,平均值为7.4 Pa($/\sqrt{\mathrm{Hz}}$),相对波长偏移高达4.3 $\times10^{-5}$ MPa($^{-1}$)。传感器的频率响应从1-20 MHz被观察到是平坦的,范围仅由我们的测量设备限制。
2019-06-08 physics.app-ph physics.optics
Incubating Advances in Integrated Photonics with Emerging Sensing and Computational Capabilities
本文综述了近红外与中红外集成光子传感器,重点介绍无源/有源波导及超材料结构在生化与气体传感中的应用,并探讨AI/ML和深度学习对传感分析的提升。
2025-04-13 physics.app-ph physics.optics
Demonstration of atom interrogation using photonic integrated circuits anodically bonded to ultra-high vacuum envelopes for epoxy-free scalable quantum sensors
本文提出通过阳极键合将 PIC 气密集成到真空外壳,避免环氧树脂造成的真空退化,并以冷原子和碱金属原子光谱实验验证其用于可扩展量子传感器的可行性。
2024-09-09 physics.app-ph quant-ph
Alignment-free photonic interconnects
下一代光电子系统将需要在集成到单个衬底上的许多分立光子组件之间有效地传输光信号。虽然现代组装工艺可以轻松地将数千个电子元件集成到一个电路板上,但由于所需的波长级对准公差,光子组装更具挑战性。在这里,我们解决这个问题,通过引入一个无阻尼的光子耦合器的x,y,z位移和角度失调鲁棒。这种无损耗耦合器通过以一定角度相交波导来设计波导之间的光学不变的倏逝波相互作用,这使得横向和角度对准公差从根本上大于非倏逝波方法,例如边缘耦合。我们表明,我们的方法可以作为一个通用的光子连接器接口的光子集成电路和微芯片在不同的平台。作为一个潜在的用例,我们描述了一种新型的自对准光子电路板,通过我们的方法,大大简化了复杂的光电系统的组装。
2021-09-28 physics.app-ph physics.optics
Capacitive temperature sensing via displacement amplification
我们提出了基于位移放大概念的电容式温度传感器的实现。我们的设计采用两个高热膨胀系数(CTE)金属层,中间由一个低CTE介电层隔开;导电层和介电层之间由一个薄的气隙隔开,并在几个位置粘合在一起。随着温度的升高,高CTE层倾向于比低CTE层膨胀得更多。由于对低CTE层施加的平面膨胀的约束,这导致高CTE层的大的平面外位移-因此位移放大项。在我们的情况下,高CTE层会导致导电层和介电层之间的间隙减小;反过来,这会导致电容的大幅变化。首先,我们通过数值模拟来说明这个概念。然后,我们实现了一个低成本的原型,这样的传感器使用铝箔作为导体,纸作为电介质,并通过粘合层在一起与氰基丙烯酸酯。我们的研究结果表明,这种简单的设计作为一种高效,低成本的温度传感器的路线的潜力。
2022-03-29 physics.app-ph
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
Redesigning spectroscopic sensors with programmable photonic circuits
本研究基于压缩感知理论,提出利用可编程级联MZI光子电路重构光谱传感器的方法,制备的6级级联片上光谱仪以少量通道实现超高分辨率与超宽带宽,性能较现有小型化光谱仪提升约一个数量级。
2023-06-09 physics.app-ph physics.optics
Design and Simulation of Si-Photonic Nanowire-Waveguides with DEP Concentration Electrodes for Biosensing Applications
本文探讨了利用商用PIC技术为硅光子纳米线波导设计DEP电极的方法,通过FEM仿真确定器件层平面电极结合金属1层第二电极对为最优配置,以提升生物传感器的响应速度与检测限。
2024-06-27 physics.app-ph physics.optics
High-Power Laser Drives Motion in Ultra-thin Photonic Crystal Lightsails via Radiation Pressure
Department of Precision and Microsystems Engineering, Delft University of Technology(代尔夫特理工大学精密与微系统工程学院)
本研究制造了最大尺寸的亚波长系留光帆,通过共振光子模式实现99%反射率,并在高激光强度下产生高达1.75微米的辐射压力位移,为高功率纳米光子学和光驱动推进提供了实验平台。
2026-06-19 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Optimization of photonic crystal nanocavities based on deep learning
提出并论证了一种基于深度学习的二维光子晶体(2D-PC)纳米腔Q因子优化方法。我们准备了一个数据集,由1000个纳米腔产生的随机位移的基础纳米腔和他们的Q值计算的第一原理方法的许多空气孔的位置。我们训练一个四层神经网络,包括一个卷积层,以识别空气孔的位移和Q因子之间的关系,使用准备的数据集。训练后,神经网络能够从气孔位移估计Q因子,标准差误差为13%。最重要的是,训练好的神经网络可以基于反向传播非常快速地估计出Q因子相对于空气孔位移的梯度。通过在~10^6次迭代中优化50个空气孔的位置,成功地获得了具有极高Q因子(1.58 x 10^9)的纳米腔结构,并利用了高维参数空间中梯度的快速评估。得到的Q因子是一个以上的数量级高于基腔和两倍以上的最高Q因子的报道,迄今为止具有类似的模态体积的腔。这种方法可以优化2D-PC结构的参数空间的大小不可行的大以前的优化方法的基础上,仅仅是直接计算。我们相信这种方法对于改善其他光学特性也是有用的。
2018-08-17 physics.app-ph physics.comp-ph
Chemical Characterization of Aerosol Particles Using On-chip Photonic Cavity Enhanced Spectroscopy
我们展示了气溶胶颗粒的化学表征与片上光谱使用光子腔增强氮化硅(Si 3 N4)跑道谐振器为基础的传感器。该传感器工作在一个广泛的和连续的波长范围内,在特定的谐振波长显示腔增强灵敏度。腔谐振的品质因数的相对变化的分析成功地产生沉积在谐振器上的气溶胶颗粒的吸收光谱。展示了在1500 nm至1600 nm的近红外(NIR)范围内基于N-甲基苯胺的气溶胶检测的检测。我们的气溶胶传感器光谱数据与商业光谱仪相比,具有良好的精度。该设备的小尺寸在远程、环境、医疗和身体可穿戴感测应用中是有利的。
2018-05-30 physics.app-ph physics.bio-ph physics.chem-ph
Photonic Radar for Contactless Vital Sign Detection
生命体征检测在医疗和健康环境中的普遍场景中使用。接触式和可穿戴式传感器已被广泛部署。然而,它们不适合烧伤患者或附着面积不足的婴儿。非接触式检测可以使用相机成像来实现,但它容易受到环境光线条件的影响,并产生隐私问题。在这里,我们报告了用于非接触式生命信号检测的光子雷达的首次演示,以克服这些挑战。这种光子雷达可以基于带宽高达30 GHz的合成雷达信号实现毫米级距离分辨率。雷达系统的高分辨率使呼吸模拟器和作为人类代理的甘蔗蟾蜍能够准确地检测呼吸。此外,我们证明了从所提出的系统产生的光信号可以实现基于光检测和测距(LiDAR)的生命体征检测。该演示揭示了传感器融合架构的潜力,该架构可以结合雷达和LiDAR的互补功能,以提高传感精度和系统弹性。该工作为非接触、高分辨率和高隐私的生命体征检测提供了新的技术基础,以满足未来医疗和健康应用中日益增长的需求。
2022-12-05 physics.app-ph physics.optics
A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform
精确的3D成像对于机器绘制地图并与物理世界进行交互至关重要。虽然存在许多3D成像技术,每种技术都以不同程度的成功解决了利基应用,但没有一种技术能够达到数字图像传感器在2D成像领域所实现的广泛适用性和影响力。作为光探测和测距(LiDAR)系统操作的相干探测器像素的大规模二维阵列可以用作通用3D成像平台。这种系统将提供高深度精度和抗阳光干扰能力,以及直接测量移动物体速度的能力。然而,由于难以向每个像素提供电连接和光子连接,先前的系统被限制为少于20个像素。在这里,我们展示了第一个大规模的相干探测器阵列组成的512($32 \times 16$)像素,其操作在三维成像系统。利用光子和电子电路的单片集成的最新进展,光外差检测器的密集阵列与集成的电子读出架构相结合,使直接缩放到任意大的阵列。同时,双轴固态光束转向消除了视场和范围之间的任何权衡。在量子噪声极限下工作,我们的系统仅使用$4~\mathrm{mW}$光在75米的距离处实现了$3.1~\mathrm{mm}$的精度,比现有的固态系统在这样的范围内精确一个数量级。未来使用最先进的组件来减小像素大小,可以为消费者相机传感器大小的阵列产生超过2000万像素的分辨率。这一结果为低成本、紧凑型和高性能3D成像相机的开发和普及铺平了道路。
2020-11-11 physics.app-ph
Analyzing partially-polarized light with a photonic deep random neural network
本研究提出一种光子随机神经网络,通过堆叠散射介质和数字节点,实现对部分偏振光的单次高精度分析,兼具快速、紧凑、低成本优势,适用于传感与成像。
2025-06-22 cond-mat.dis-nn physics.app-ph physics.optics
Photonic Links for Spin-Based Quantum Sensors
The University of Alabama(阿拉巴马大学);Oak Ridge National Laboratory(橡树岭国家实验室);Purdue University(普渡大学)
本研究提出了一种基于光子链路的RF-over-fiber控制方法,用于实现低噪声、热隔离的量子传感器,推动传统自旋基量子传感与分布式量子技术的融合。
2026-01-29 physics.app-ph quant-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