Electrically reconfigurable nonvolatile flatband absorbers in the mid-infrared with wide spectral tuning range
本文提出基于Ge2Sb2Te5的等离子体超表面，通过电脉冲在3–5微米范围实现非易失、可逆、角度无关的红外吸收调谐，且静态功耗为零。
2025-06-08 physics.app-ph physics.optics
Electrically Reconfigurable Arbitrary Splitting-Ratio Optical Splitter Based on Low-Loss Sb2Se3
本文提出并实验验证了一种基于低损耗相变材料 Sb2Se3 的电可重构光分束器，通过微电极局部触发相变实现非易失的任意分光比控制，在紧凑尺寸内实现 8 级分光状态、约 1 dB 插入损耗和近零静态功耗，为可扩展低功耗可重构光子电路提供通用构建模块。
2025-09-19 physics.app-ph physics.optics
Reconfigurable Multifunctional Metasurfaces Employing Hybrid Phase-Change Plasmonic Architecture
我们提出了一种混合器件平台，用于创建通过等离子体纳米结构与相变材料碲化锗锑（GST）的集成形成的电可重构超颖表面。通过焦耳加热将GST的相从非晶变为结晶，可以实现来自超颖表面的大范围的响应。此外，通过使用GST的中间相，超颖表面可以在过耦合和欠耦合状态下与入射光相互作用，从而导致固有的宽带响应。通过对基模性质的详细研究，我们证明了在像素级改变GST的晶相能够有效控制关键特性（即，振幅、相位和偏振）。这导致宽带电可调谐多功能元器件的实现，从而实现光束切换、聚焦、转向和偏振转换。这样的混合结构提供了一个高速，宽带，和非易失性可重新配置的范例，电可编程光学器件，如开关，全息图，和偏振计。
2022-08-17 physics.app-ph physics.optics
Electrically reconfigurable phase-change transmissive metasurface
本研究展示了一种基于低损耗相变材料的电可重构透射超表面滤波器，实现200微米×200微米面积上的非机械、非易失性切换，对比度5.5 dB，可逆循环1250次，为自由空间可重构光学奠定基础。
2023-12-16 physics.app-ph physics.optics
Electrically programmable chiral MEMS photonics
光学手性是许多工业光子技术的核心，包括对映体识别，基于椭圆偏振的层析成像和光通信中的自旋多路复用。然而，大量的手性反应需要典型的三维（3D）成分，从而使范例高度复杂。与微机电系统（MEMS）集成的光子器件已经显示出通过外部刺激进行手性光控制的潜力，但刺激通常需要破坏性的剂量。在这里，我们报告了一个简单的合成手性范例，是电可编程的自组装的3D MEMS悬臂梁。这种模式使四个可重构的手性方案与右旋，左旋，外消旋和非手性构象。可逆的手性和手性的非手性开关的光学响应电编码后，与双通道偏压低至10 V的异或逻辑操作，我们的设备演示了一条路线，电驱动合成手性平台，并作为一个强大的构象分析工具，在生物，医学，化学和物理的大分子。该原型提供了一个新的策略，可重构的立体选择性光子应用。
2018-07-10 physics.app-ph physics.optics
Electrically Reconfigurable Non-Volatile On-Chip Bragg Filter with Multilevel Operation
本研究首次提出基于Sb₂S₃相变材料的非易失性电可编程片上布拉格滤波器，实现超99%峰值反射率、20nm调谐范围及准连续阻带控制，为低功耗可编程PIC及相关光学应用奠定基础。
2024-08-19 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Electrically Driven Varifocal Silicon Metalens
光学超颖表面已被证明是平面光学元件的强大方法，能够对光相位和振幅进行前所未有的控制。在该阶段，已经完成了各种静态功能，大多数努力都是针对实现可重构光学元件。在这里，我们提出了我们的方法，电控变焦超透镜在可见光频率范围内工作。它依赖于通过嵌入到热光聚合物中的电阻器来动态控制硅超透镜的折射率环境。我们证明了精确和连续的调谐的焦距，并实现焦距变化大于瑞利长度的电压小至12伏。系统的时间响应是100毫秒的数量级，与潜在的进一步整合减少。最后，我们的变焦超透镜的成像能力成功地验证了在光学显微镜设置。与传统的笨重的可重构镜头相比，所提出的技术是一种轻巧紧凑的解决方案，为小型化智能成像设备提供了新的机会。
2019-11-11 physics.app-ph physics.optics
Reconfigurable classifier based on spin torque driven magnetization switching in electrically connected magnetic tunnel junctions
本研究提出基于电连接磁隧道结网络的可重构分类器，通过自旋转矩驱动磁化翻转分类输入电流幅值编码信息，实验证明三结网络的口语元音分类识别率优于同参数量软件神经网络，为大规模神经形态网络发展提供支撑。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Non-volatile reconfigurable integrated photonics enabled by broadband low-loss phase change material
相变材料（PCM）长期以来一直被用作可编程光盘的存储介质，后来又被用于随机存取存储器。近年来，PCM与纳米光子结构的集成为非易失性可重构光学引入了新的范例。然而，原型PCM Ge_2Sb_2Te_5在可见光和电信波长的高损耗从根本上限制了其应用。Sb_2S_3是一种具有610 nm到近红外波段透明窗口的宽带隙相变材料。本文首次在750 nm和1550 nm两个波段的集成光子平台上实验证实了Sb_2S_3的强相位调制和低光损耗特性。与硅相反，Sb 2S 3的热光系数被示出为负，使得Sb 2S 3-Si混合平台对热波动不太敏感。最后，研制了一种集成Sb_2S_3的非易失性微开关，该开关可以在高、低透射态之间进行电调谐，对比度超过30 dB。我们的工作实验验证了Sb 2S 3在固态量子发射器和电信相关波长范围内的显著相位修改和低损耗，从而实现了诸如光学现场可编程门阵列，制造后修整和大规模集成量子光子网络等潜在应用。
2021-01-12 physics.app-ph physics.optics
High quality factor silicon-on-lithium niobate metasurfaces for electro-optically reconfigurable wavefront shaping
动态可重构的超表面为许多应用提供了紧凑和轻量级的空间光调制，包括LiDAR，AR/VR和LiFi系统。在这里，我们设计和计算研究高品质因数硅锂超颖表面与电驱动，独立控制其组成纳米棒的全相位可调谐性与高调谐效率。自由空间光通过周期性扰动耦合到每个纳米棒内的导模，产生超过30，000的品质因数，同时保持棒间距< $λ$ /1.5。我们实现了近2 $π$相位变化与施加的偏置不超过$\pm$ 25 V，保持反射效率高于91%。使用全场模拟，我们展示了一个高角度，51°，可切换的分束器，衍射效率为93%，和一个角度可调的光束转向器，跨越18-31°，效率高达86%，所有使用相同的元表面设备。我们的平台为高效波前整形设备提供了基础，该设备具有宽的动态调谐范围，能够产生几乎任何传递函数。
2022-03-24 physics.app-ph physics.optics
Independent indistinguishable quantum light sources on a reconfigurable photonic integrated circuit
我们报告了一个紧凑的，可扩展的，量子光子集成电路实现多个，独立的InGaAs/GaAs量子发光二极管（QLED）与氮氧化硅波导电路相结合。然后，连接电路的每个波导可以由单独的、独立电接触的QLED激励。我们表明，从相邻的QLED的发射可以独立调谐到简并使用斯塔克效应，所产生的光子流是不可区分的。这使得芯片上的Hong-Ou-Mandel型干涉成为可能，这是许多光子量子信息处理方案所需要的。
2018-03-12 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Electrically driven programmable phase-change meta-switch reaching 80% efficiency
尽管最近在有源超光学方面取得了进展，但结合高速可重构解决方案的宽动态范围仍然是难以捉摸的。相变材料（PCM）由于具有大的折射率对比度和快速而稳定的相变性质，为超颖表面光学元件提供了引人注目的平台。在这里，我们通过利用相变硫属合金Ge $_{2}$ Sb $_{2}$ Te $_{5}$（GST）的独特性质，实验证明了原位电驱动可重编程超颖表面，以实现在近红外光谱范围内的快速，非易失性，可逆，多级和显著的光学调制。通过多物理场分析共同优化，我们集成了一个有效的异质结构电阻微加热器，间接加热和转换的嵌入式GST膜，即使在几个可逆的相变后，不影响超颖表面的光学性能。提出了一种混合等离子体-PCM元开关，其具有超过11倍的反射率的记录电调制（绝对反射率对比度达到80%），超过250 nm的前所未有的准连续光谱调谐，以及可以潜在地达到几kHz的开关速度。我们的工作是一个重要的一步，完全可集成的动态元表面的发展和波束成形应用的潜力。
2021-04-26 physics.app-ph physics.optics
Capping Layer Effects on $Sb_{2}S_{3}$-based Reconfigurable Photonic Devices
本研究探究$(ZnS)_{0.8}-(SiO_2)_{0.2}$覆盖层对$Sb_{2}S_{3}$基可重构光子器件的影响，发现其可防硫损失、调节结晶温度、增强光与相变材料相互作用并减小器件尺寸。
2023-05-05 physics.app-ph physics.optics
Free spectral range electrical tuning of a high quality on-chip microcavity
可重构光子电路的应用范围从下一代计算机架构到量子网络、相干雷达和光学超材料。然而，完全的可重构性目前仅在毫米级器件尺寸上是可行的。在这里，我们克服了这个障碍，开发了一个片上高品质的微腔谐振，可以在整个自由光谱范围（FSR）的电调谐。FSR调谐允许与任何源或发射器谐振，或在任何数量的网络微腔之间谐振。我们通过将纳米电子驱动与强大的光机械相互作用相结合来实现它，从而产生高度应变依赖的有效折射率。这允许低电压和亚千瓦功耗。我们展示了一个基本的可重构光子网络，使微腔谐振与任意模式的微环形光腔跨越电信光纤链路。我们的研究结果具有超越光子电路的应用，包括广泛可调谐的集成激光器，用于电信和天文学的可重构光学滤波器，以及片上传感器网络。
2018-06-20 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Electrically Tuning Quasi-Bound States in the Continuum with Hybrid Graphene-Silicon Metasurfaces
针对混合石墨烯超构表面在短红外波段调谐效率低的问题，本研究将石墨烯与支持quasi-BIC的硅超构表面集成，借助高品质因子在小波长偏移下实现显著透射调谐，首次实验验证了该可调结构，为光调制等领域提供新方案。
2024-07-10 physics.app-ph physics.optics
Active-cavity photonic molecule optical data wavelength converter for silicon photonics platforms
我们展示了一种基于电驱动光子分子结构的光数据波长转换器，该结构包括两个耦合的有源硅微谐振器。由频率等于所需波长偏移的连续波（CW）微波驱动信号提供的转换器复制新波长的输入光信号。光学耦合腔系统将超模谐振与输入光波和波长转换光波匹配，从而最大化转换效率。两个器件设计，执行波长上变频和下变频0.19 nm（24 GHz），-13 dB的转换效率和6 GHz的带宽;和0.45 nm（56 GHz），-18 dB的效率和5 GHz的带宽进行了演示。一个4 Gbps的非归零（NRZ）光数据流的波长移位，并成功地恢复。这种架构接受CMOS级RF驱动电压，并且可以集成在单片CMOS电子光子平台中，具有简单的信号源电路，作为生成和执行波长转换的自包含芯片上子系统的一部分，不需要向芯片输入高频（光或电）和高功率外部泵浦。这种类型的器件可能成为硅和CMOS光子学工艺组件库中的新标准元件。
2020-05-11 physics.app-ph physics.optics
Energy-Efficient Photonic Memory Based on Electrically Programmable Embedded III-V/Si Memristors: Switches and Filters
通过将多层HfO2/Al2O3忆阻器嵌入III-V/Si光子学，首次实现了具有最大电场驱动相移和零功耗的非易失性光子存储器、开关与可重构滤波器。
2023-07-01 cs.ET physics.app-ph physics.optics
Time-resolved temperature mapping leveraging the strong thermo-optic effect in phase-change devices
光学相变材料在可调超颖表面、可重构光子电路和非冯·诺依曼计算等新兴应用领域具有广阔的应用前景。然而，这些材料通常需要高熔化温度和快速淬火速率，以在其结晶和非晶相之间可逆地切换，这对大规模集成是一个重大挑战。在这里，我们提出了一种实验技术，利用GST中的热光效应，使空间和时间的热测量两个常见的电热微加热器设计目前使用的相变社区。我们的方法显示出良好的协议之间的实验结果和数值模拟，并提供了一个非侵入性的方法，电可编程相变器件的快速表征。
2022-10-14 physics.app-ph physics.optics
Fully on-chip photonic turnkey quantum source for entangled qubit/qudit state generation
本文提出集成InP增益腔、Vernier滤波器与Si3N4非线性微环的全片上纠缠光源，可直接产生高维频率仓纠缠态并实现高探测率、高保真度。
2022-06-17 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Electro-Optic Modulation in Polycrystalline Barium Titanate Metasurfaces Enhanced by Poling
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本研究通过多晶BTO金属表面的铁电畴取向增强，实现了高效的电光调制，展示了在亚伏特驱动下的高调制强度和高频率性能。
2026-01-28 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
Universal Silicon Microwave Photonic Spectral Shaper
本文提出在全集成硅光子电路中实现通用射频光子频谱合成与电可调模拟调制变换，并通过与可重构环形谐振器单片集成展示了前所未有的射频滤波实验。
2020-12-29 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Unlocking Electro-Optic Tuning in Hybrid Silicon Photonics Based on Ferroionic 2D Materials
本研究将铁离子二维材料CuCrP2S6集成到硅光子微环谐振器中，实现了近红外波段低损耗、高效率的电光调谐，有效折射率调谐达2.8×10⁻³ RIU，并展示了偏振敏感性，为相控阵和神经形态系统等应用开辟了新途径。
2023-10-11 physics.app-ph physics.optics
An on-chip III-V-semiconductor-on-silicon laser frequency comb for gas-phase molecular spectroscopy in real-time
频率梳，均匀间隔的窄相位相干激光线的光谱，已经彻底改变了精密测量。片上频率梳发生器在全集成的时间和频率计量仪器中有很大的应用前景。虽然克尔，量子级联和microwave电光梳的杰出发展正在报道，高分辨率多路复用气相光谱领域仍然无法进入这些设备，因为它们的大线间距，它们的可用梳线数量少，它们的梳线之间的强度变化，以及它们有限的光子可积性。在这里，我们确定了一个宽带气相光谱芯片上的路径。我们在光子芯片上设计了一个低噪声的III-V硅基梳状发生器，该发生器在1.0 GHz的重复频率下发射1400线的平顶光谱，这是其他超小型化梳状合成器从未达到的功能。利用双梳状光谱技术，我们的近红外电泵浦激光器可在短至5微秒的时间内记录具有分辨梳状线的高分辨率（1 GHz）敏感多路复用光谱。一氧化碳中的同位素分辨12 C/13 C检测可在1毫秒内完成。随着进一步的发展，整个高分辨率光谱实验室芯片可以在晶圆级制造。在环境传感方面，广泛的光谱仪网络可以密集地部署在现场，以同时实时监测温室气体的源和汇、工业污染或机动车辆的有毒排放。
2020-06-26 physics.app-ph physics.atom-ph physics.chem-ph
Piezoelectric-Metal Phononic Crystal Enabling GHz Tunable Ultrahigh $Q$ Quasi-BIC mode
本研究在LiNbO3薄膜上构建压电-金属声子晶体，实现GHz频段可调超高Q准BIC模式，室温Q值达6×10^4，并通过低电压电热调制实现高对比度幅度调制，为可扩展片上声子电路奠定基础。
2025-06-24 physics.app-ph
Robust electrothermal switching of optical phase change materials through computer-aided adaptive pulse optimization
本文提出一种计算机辅助自适应脉冲优化算法，通过监测光学变化并动态调整电压，实现了光学相变材料的稳健电热切换，将器件寿命延长至超13000次循环，并证明图案化结构比薄膜具有更高耐久性。
2024-04-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Extreme Broadband Transparent Optical Phase Change Materials for High-Performance Nonvolatile Photonics
光学相变材料（Optical phase change materials，O-PCM）是一种在固态相变时具有强烈光学性质反差的独特材料，已被广泛应用于光子交换机和路由器、可重构元光学器件、反射式显示器和光学神经形态计算机等领域。目前的相变材料，如Ge-Sb-Te（GST），同时表现出折射率（Δ n）和光学损耗（Δ k）的大对比度。两种光学性质的耦合从根本上限制了许多潜在应用的功能和性能。在这篇文章中，我们介绍了一类新的O-PCM，Ge-Sb-Se-Te（GSST），它打破了这种传统的耦合，表现出光学品质因数的改善超过两个数量级。第一原理计算优化的合金Ge 2Sb 2Se 4 Te 1结合了宽带低光学损耗（1-18.5微米）、大光学对比度（Δ n = 2.0）和显著改善的玻璃形成能力，从而实现了红外和热光子器件的全新领域。我们进一步利用该材料来展示具有创纪录的低损耗和大对比度的非易失性集成光学开关，以及电寻址的微秒开关像素级空间光调制器，从而验证其作为可扩展非易失性光子学平台材料的前景。
2018-11-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
