Maximal single-frequency electromagnetic response
现代纳米光子和元光学器件利用大量的结构自由度来增强光-物质相互作用。一个根本问题是，这种增强能有多大。我们开发了一个分析框架，以获得上界的单频电磁响应，在近场和远场制度，任何材料，自然结合的串联效应的材料和辐射引起的损失。我们的框架依赖于一个功率守恒定律的极化场在任何散射体。它统一了以前的光学散射边界理论，并揭示了最佳纳米光子设计的新见解，其应用包括远场散射，近场局域态密度工程，最佳波前整形和完美吸收体的设计。我们的边界预测惊人的大的最小厚度为任意图案化的完美的吸收体，范围从50- 100 nm的典型材料在可见光波长的微米级厚度的极性吸收体在红外波长。我们使用逆设计发现超颖表面结构接近最小厚度的完美吸收体的界限。
2020-11-12 physics.optics
A Cyclical Deep Learning Based Framework For Simultaneous Inverse and Forward design of Nanophotonic Metasurfaces
针对目标电磁响应的纳米光子超颖表面设计和优化的常规方法涉及探索大的几何形状和材料空间，这在计算上是昂贵的、耗时的并且是基于试错的高度迭代过程。此外，结构设计的非唯一性和电磁响应与设计之间的高度非线性使得该问题具有挑战性。为了将电磁响应与超颖表面结构设计之间的这种非直观关系建模为设计空间中的概率分布，我们引入了一个基于循环深度学习（DL）的框架，用于纳米光子超颖表面的逆向设计。该框架基于DL模型和遗传算法，对作为元表面单元的元原子和元分子的生成进行逆向设计和优化。该框架包括连续的DL模型，模拟数值电磁仿真和迭代优化过程，并生成优化的结构设计，同时执行正向和反向设计任务。通过遗传算法对生成的结构设计进行选择和评估，以构建模拟真实世界响应的期望光学响应和设计空间。重要的是，我们的循环生成框架还探索了新的元表面拓扑空间。作为我们所提出的架构的实用程序的一个示例应用程序，我们演示了基于间隙等离子体激元的半波片超颖表面的逆设计，用于用户定义的光学响应。我们所提出的技术可以很容易地推广到设计纳米光子超颖表面的范围广泛的有针对性的光学响应。
2020-05-26 eess.IV physics.optics
Deep Neural Network Inverse Design of Integrated Nanophotonic Devices
预测人工结构材料的物理响应对于科学和工程应用特别感兴趣。在这里，我们使用深度学习来预测人工设计的纳米光子器件的光学响应。除了预测任何给定拓扑结构的传输响应的正向近似外，这种方法还允许我们逆近似设计目标光学响应。我们的深度神经网络（DNN）可以在几分之一秒内设计出紧凑的（2.6x2.6 μm2）基于绝缘体上硅（SOI）的1 X 2功率分配器，具有各种目标分束比。该模型经过训练，以最大限度地减少反射（小于20 dB），同时实现最大传输效率（高于90%）和目标分裂规格。这种方法为快速设计依赖于复杂纳米结构的集成光子器件铺平了道路。
2018-09-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Fundamental Limits of Nanophotonic Design
本论文建立涵盖一般线性波散射动力学的通用理论框架，利用极化场物理约束推导纳米光子多类应用的设计基本极限。
2023-08-16 physics.optics
Broadband enhanced chirality with tunable response in hybrid plasmonic helical metamaterials
设计宽带增强的手性对于新兴的手性化学和传感领域，或者在最近引入的纳米光子手性量子和经典光学应用中控制光子的自旋轨道动量具有强烈的兴趣。然而，手征光-物质相互作用具有极其微弱的性质，难以控制和增强，并且不能调谐或宽带化。此外，在技术上重要的可见光到紫外光谱处实现强、宽带和可调谐手性的平面双纳米光子结构仍然是难以捉摸的。在这里，我们解决这些重要的问题，通过实验证明和理论验证光谱可调，极大的，和宽带手旋光响应的纳米螺旋超材料。报道的全介电和介电-金属（混合）等离子体超材料的新设计允许通过大规模纳米光子结构实现有史以来最大和最宽的测量手性库恩不对称因子。此外，所提出的自下而上制造的光学超材料的强圆二色性可以通过改变它们的尺寸和它们的电介质和等离子体螺旋子部分之间的比例来调谐。目前展示的超材料有望为手光学领域的发展提供实质性的推动，从而在纳米尺度上显著增强和宽带手征光-物质相互作用。
2021-01-28 physics.optics
Nonlinear anisotropic dielectric metasurfaces for ultrafast nanophotonics
我们报告了各向异性纳米块非晶硅颗粒的宽带瞬态光学响应，表现出米氏型共振。一个定量模型的开发，以确定和解开的三个物理过程，管理的超快变化的nanobrick的光学性能，即双光子吸收，自由载流子弛豫，晶格加热。我们揭示了一组操作窗口，其中超快的全光调制的传输实现与完全归零在20 ps。这是可能的，由于竞争的非线性过程之间的相互作用，尽管缓慢（纳秒）的内部晶格动力学。所观察到的超快开关行为可以独立地设计为两个或正交偏振使用纳米块的大各向异性，从而允许超快各向异性控制。我们的研究结果明确确定了全介电共振纳米光子学作为超快光学器件平台的潜力，并揭示了超快偏振复用显示器和偏振旋转器的可能性。
2017-06-02 physics.optics
All-nanophotonic NEMS biosensor on a chip
集成的化学和生物传感器在降低成本、尺寸和重量方面具有优势，并为并行监测和分析开辟了新的前景。基于纳机电系统（NEMS）的生物传感器是集成平台最有吸引力的候选人。然而，致动和换能技术（例如静电、磁动、热或压电）将其操作限制在实验室条件下。全光学方法提供了克服这一问题的可能性，然而，现有的方案要么是根本上宏观的，要么是过于复杂和昂贵的大规模生产。在这里，我们提出了一种新的方案，非常紧凑的NEMS生物传感器单片集成在一个芯片上的所有纳米光子转导和驱动。它由光子波导和放置在波导上方的纳米梁悬臂梁组成，两者都是在相同的CMOS兼容工艺中制造的。由于悬臂梁处于强限制光子模的近场，因此可以有效地驱动悬臂梁，并利用同一个光波导直接读出悬臂梁的响应，从而使其具有很高的灵敏度，即使在大气中也能实现单分子探测。
2014-10-29 physics.optics
Halide-Perovskite Resonant Nanophotonics
卤化物钙钛矿是近年来出现的一种在光电子学和光电子学中有广泛应用前景的材料。最近的研究表明，由于低成本的制造，高值的折射率，激子在室温下的存在，宽带带隙的可调谐性，高的光学增益和非线性响应，以及它们与其他类型的结构的集成的简单性，它们的光学性能先进的纳米光子器件的设计许多新的机会。本文综述了近年来纳米结构钙钛矿晶体光学效应的研究进展及其潜在应用。
2018-07-13 physics.app-ph physics.optics
Multifunctional all-dielectric nano-optical systems using collective multipole Mie resonances: Towards on-chip integrated nanophotonics
我们提出了一种分析的光学响应的一类芯片上集成的纳米光子系统，包括全电介质构建块为基础的多功能光操纵单元（LMU）集成量子点（QD）光源。使用构成单个结构单元LMU的电介质构建块（DBB）的偶极和高阶多极模式的集体Mie共振同时实现多个功能（诸如聚焦激发光、QD发射速率增强、光子引导和无损传播）。使用基于Mie理论的解析公式，我们证明了激发光的增强，同时从与基于DBB的LMU集成的QD发射器发射的光的引导和传播。量子点DBB集成结构可以作为构建经典和量子领域光信息处理纳米光学有源电路的基本元件。
2016-07-29 physics.optics
A T-matrix database to promote information-driven research in nanophotonics
Institute of Nanotechnology, Karlsruhe Institute of Technology（纳米技术研究所，卡尔斯鲁厄理工学院）；Scientific Computing Center, Karlsruhe Institute of Technology（科学计算中心，卡尔斯鲁厄理工学院）；D Matter Made to Order, Karlsruhe Institute of Technology（按需制造三维物质，卡尔斯鲁厄理工学院）；Institute of Theoretical Solid State Physics, Karlsruhe Institute of Technology（理论固态物理研究所，卡尔斯鲁厄理工学院）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST), Karlsruhe Institute of Technology（集成量子科学与技术中心（IQST），卡尔斯鲁厄理工学院）
本文提出Daphona T矩阵门户，提供标准化数据促进纳米光子学中的信息驱动研究。
2026-02-02 physics.optics
Near-field Probing of Optical Superchirality for Enhanced Bio-detection
理论上，纳米光子平台通过它们诱导的近场手性不对称性的高度局部化变化，独特地使<飞摩尔的手性生物和药物分子能够被检测到。然而，目前基于手性纳米光子的策略本质上是有限的，因为它们依赖于远场光学测量，远场光学测量对比受手性分子影响的近场体积大得多的近场体积敏感。因此，它们依赖于检测限制检测灵敏度的远场光学响应中的小变化。在这里，我们利用一个有趣的现象，等离子体圆偏振发光（PCPL），这是一个精辟的近场手性的本地探针。这允许手性检测单层量的从头设计的肽，这是不能实现的远场响应。我们的工作表明，通过利用纳米光子平台的能力与PCPL的近场灵敏度，可以实现最佳的生物分子检测性能，为纳米计量学开辟了新的途径。
2022-05-15 physics.optics
All-dielectric nanophotonics: the quest for better materials and fabrication techniques
全介电纳米光子学是纳米光学中一个令人兴奋和迅速发展的领域，它利用高折射率低损耗介电纳米粒子的共振行为来增强纳米尺度上的光-物质相互作用。当一个特定的全介电纳米结构的实验实现是一个问题时，两个关键因素必须集中在焦点上：高折射率材料的选择和制造方法。各种效果的增强程度取决于所选材料的介电响应以及制造精度。在这里，我们概述了可用的高折射率材料和现有的制造技术，实现全介电纳米结构。我们比较所选材料在可见光和红外光谱范围内的散射效率和Q因子的性能。进一步讨论了各种制备全介电纳米结构的方法，并指出了它们的优缺点。我们还提出了一个更好的材料具有更高的折射率和新的制造方法，使低成本制造的光学谐振高折射率纳米粒子的搜索前景。我们希望我们的研究结果对整个纳米光子学领域的研究，特别是对全介电纳米结构的设计有价值。
2017-02-02 physics.optics
Knowledge Discovery In Nanophotonics Using Geometric Deep Learning
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
我们在这里提出了一种新的方法，使用人工智能的智能方面的知识发现，而不是设备优化电磁（EM）纳米结构。这种方法使用通过一系列纳米结构的全波EM模拟获得的训练数据来训练几何深度学习算法，以评估可行响应的范围以及一类EM纳米结构的期望响应的可行性。为了便于知识发现和降低计算复杂度，我们的方法结合了降维技术（使用自动编码器）与凸包和一类支持向量机（SVM）算法，以找到潜在的（或减少）的响应空间的EM纳米结构的可行响应的范围。我们表明，通过使用一小组训练实例（与所有可能的结构相比），我们的方法可以在评估给定响应的可行性时提供超过95%的准确性。更重要的是，可以训练单类SVM算法以提供来自给定纳米结构的响应的可行性（或不可行性）程度。这个重要的信息可以用来修改初始结构，使其成为一个替代结构，从而实现最初不可行的响应。为了显示我们的方法的适用性，我们将其应用到两个重要的类别的二元超颖表面（MS），由等离子体纳米结构阵列形成，和由介电纳米柱阵列形成的周期MS。除了理论结果，我们显示了通过制造几个MS的第二类获得的实验结果。我们的理论和实验结果证实了这种方法的EM纳米结构的知识发现的独特功能。
2019-09-16 cs.LG physics.optics
Miniaturized Low-power Electro-optic Modulator Based on Silicon Integrated Nanophotonics and Organic Polymers
设计并实现了一种基于电光聚合物填充硅缝隙光子晶体波导（PCW）的小型、低功耗、低色散、宽带光调制器。该EO聚合物专为高EO活性和近红外透明性而设计。在8 nm的光谱范围内，半波开关电压为Vπ=0.97V，对应于推挽结构的最高有效器件内r33为1190 pm/V，Vπ L为0.291Vmm。排除慢光效应，我们估计EO聚合物在槽中以89 pm/V的超高效率极化。此外，为了实现高速调制，硅PCW被选择性地掺杂以减少RC时间延迟。该调制器的3dB射频带宽为11 GHz，调制响应可达40 GHz。
2014-12-08 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
Dispersion engineered AlGaAs-on-insulator nanophotonics by distributed feedback
本文提出一种基于分布式布拉格反射镜的绝缘体上AlGaAs线性谐振器，通过形状约束逆向设计定制色散分布，实验与模拟高度一致，为集成光路色散工程提供高效通用方案。
2025-10-16 physics.optics
Raman suppression in nanophotonics enabled by multimode spectral filtering
John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Quantum Science and Engineering, Harvard University（哈佛大学量子科学与工程）；Department of Physics, University of Auckland（奥克兰大学物理系）；The Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies（多德-沃尔斯光子与量子技术中心）
本文提出通过控制多横模耦合与损耗来抑制拉曼散射，利用纳米刻蚀布拉格光栅和渐细波导实现多模耦合与选择性过滤，展示了在铌酸锂中生成两种不同 Kerr 非线性态的应用。
2026-05-09 physics.optics
Broadband energy-efficient optical modulation by hybrid integration of silicon nanophotonics and organic electro-optic polymer
硅有机混合集成器件具有新兴的应用，从高速光学互连到光子电磁场传感器。电光聚合物填充硅缝隙光子晶体波导（PCWs）结合了PCWs的慢光效应和电光聚合物的高极化率，有望实现高性能的光调制器。提出了一种基于电光聚合物填充硅缝隙PCW的宽带、低功耗、低色散、紧凑型光调制器。在背栅电压的辅助下，调制响应可达50 GHz，3dB带宽为15 GHz，在10 Gbit/s时的能量消耗为94.4fJ/bit。此外，晶格移位的PCW被用于将光学带宽提高到基于非频带工程PCW和环形谐振器的其他调制器的约10倍。
2015-03-06 physics.optics
Antimony for broadband nanophotonics across the ultraviolet, visible and infrared
Instituto de Óptica, CSIC（西班牙科学研究中心光学研究所）；McMaster University（麦克马斯特大学）；Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), CSIC（西班牙科学研究中心马德里材料科学研究所）
本文首次精确测量锑纳米薄膜在紫外至远红外的宽谱介电函数，发现巨带间跃迁主导响应，并展示可调谐等离激元和介电共振，为宽带纳米光子器件提供新路径。
2026-09-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Plasmonic crystals for ultrafast nanophotonics: Optical switching of surface plasmon polaritons
我们证明，表面等离子体激元的色散在周期性穿孔的金膜可以有效地操纵飞秒激光脉冲的波长远离本征共振的金。使用时间和频率分辨的泵浦探测技术，我们观察到移动的等离子体极化激元共振的响应时间从200到800 fs取决于探测光子的能量，通过它，我们获得了全面的洞察电子动力学在金。我们发现，在0.5 mJ/cm ^2的中等泵浦能量密度下，光学光谱中的伍德异常在差分透射和反射中提供了显著的共振，其幅度高达3%。
2011-12-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Interplay of magnetic responses in all-dielectric oligomers to realize magnetic Fano resonances
我们研究了由相同的介电纳米颗粒制成的四聚体中集体和个体光致磁响应之间的相互作用。与它们的等离子体对应物不同，全介电纳米粒子簇显示出多个维度的共振磁响应，可以用于实现异常散射签名。我们专注于我们的分析对称quadrumers由硅纳米粒子和验证我们的理论结果的概念验证射频实验证明存在一种新型的磁Fano共振纳米光子学。
2016-07-15 physics.optics
Inverse Design of 3D Nanophotonic Devices with Structural Integrity Using Auxiliary Thermal Solvers
本工作提出一种结合电磁模拟与辅助热扩散求解器的多目标优化方法，用于三维纳米光子器件逆向设计，确保结构完整性，并成功设计了聚焦元件和波导结器件。
2025-03-30 physics.comp-ph physics.optics
Temperature Invariant Metasurfaces
众所周知，热效应通过几种物理机制影响材料的电子和光学性质，并且是各种光电子器件的基础。热光（TO）效应-折射率随温度的变化（dn/dT），是用于可调谐光学器件（包括集成光学部件、超颖表面和纳米天线）的常见机制之一。然而，当需要静态和固定操作时，即，温度不变性能-这种效应成为一个缺点，并且当工作温度随时间变化时，可能通过谐振频率、幅度或相位的漂移而导致不期望的行为。在这项工作中，我们提出了一个系统的方法来减轻纳米光子器件中的热致光学波动。通过使用由具有相反TO色散（dn/dT<0和dn/dT>0）的两种材料组成的混合亚波长谐振器，我们能够补偿TO偏移并设计具有零有效TO系数（dn/dT~0）的元原子和元表面。我们展示了在宽温度范围和宽光谱带内工作的超原子和超表面中的温度不变的谐振频率、振幅和相位响应。我们的研究结果突出了一条通往温度不变的纳米光子学的道路，它可以在很宽的温度范围内提供恒定和稳定的光学响应，并应用于大量的光电子器件。控制TO色散的符号和大小扩展了光操纵的能力，并为纳米光子系统中的光学工程工具箱增加了另一层。
2023-01-30 physics.optics
High-index and low-loss topological insulators for mid-infrared nanophotonics
本文利用近场成像研究 Bi2Se3、Bi2Te2Se 和 Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3 的中红外光学性质，发现它们表现为高折射率、低损耗介电材料，其中 Bi2Te2Se 折射率高达 7.5，可作为中红外纳米光子学的理想衬底。
2023-11-06 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Nanophotonics with 2D Transition Metal Dichalcogenides
二维过渡金属二硫属化物（TMDC）最近已成为用于若干光电应用的有吸引力的半导体材料，诸如光电探测、光捕获、光电晶体管、发光二极管和激光器。它们特别有吸引力，因为它们的带隙位于可见光和近红外范围内，并且它们具有强激子共振，高振子强度和谷选择性响应。将这些材料耦合到光学纳米腔增强了激子发射的量子产率，从而实现了先进的量子光学和纳米光子器件。在这里，我们回顾了基于单层TMDC耦合到等离子体和介电纳米腔的混合激子极化激元结构的最新进展。首先，我们一般讨论二维WS 2，WSe 2，MoS 2和MoSe 2材料的光学性质，特别注意它们的能量和光致发光/吸收光谱，激子精细结构，激子形成和谷去极化的动力学。然后，我们讨论了混合激子极化激元结构中的光-物质相互作用。最后，我们专注于弱耦合和强耦合制度在单层TMDCs为基础的激子极化激元系统，展望研究方向和未来的机会，基于这种新的材料平台。
2018-01-02 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nonlinear Nanophotonic Circuitry: Tristable and Astable Multivibrators and Chaos Generator
集总光学纳米元件（或元电子学）的概念，其中纳米尺度的结构作为纳米电感器，纳米电容器和纳米电阻器，已经吸引了大量的关注，作为一个简单的工具箱工程不同的纳米光子器件与微电子学的类比。虽然最近的研究主要集中在线性功能上，但微电子器件中的非线性动力学起着至关重要的作用，并提供了现代应用中使用的大多数功能。在这里，我们扩展了元电子学的范例，并添加非线性动力学模式的纳米光子器件，从来没有与光学纳米天线。具体而言，我们表明，非线性二聚体纳米天线可以在三稳态和非稳态多谐振荡器以及混沌发生器的制度。这些模式背后的物理机制依赖于二聚体中纳米颗粒的克尔型非线性，其通过偶极局部表面等离子体共振增强。这允许在中等光强下提供正的非线性反馈，从而通过调节驱动场参数来产生期望的动力学行为。我们的研究结果揭示了一类新的非线性纳米光子器件具有可调的非线性动力学响应。
2021-06-17 nlin.CD physics.app-ph physics.optics
Electron Beam Spectroscopy for Nanophotonics
电子束光谱学的进展，最近使研究的光学激发与结合的空间，能量和时间分辨率在纳米，毫电子伏和飞秒域，从而提供了独特的访问到纳米光子结构及其详细的光学响应。这些技术依赖于$\approx$ 1-300 keV的电子束聚焦在样品上，低至亚纳米点，在时间上压缩在几飞秒长的波包中，并且在某些情况下由超快光脉冲控制。电子经历能量损失和增益，也引起阴极发光光发射，其被记录以揭示沿光束路径的光学景观。本文综述了这些进展，重点是相干激发，强调对电子波函数的控制水平的提高，以及随后在纳米颗粒中的光学谐振模和极化激元的研究和技术使用中的应用，2D材料和工程纳米结构。
2019-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Molecular Chiral Response Enhanced by Crosstalking Quasi-Bound States in the Continuum
提出一种介电超表面，通过支持两个近简并高Q值连续域准束缚态放大模态交叉耦合，显著增强分子手性响应，实现超灵敏的分子旋向识别。
2025-05-30 physics.optics
Morphology-induced spectral modification of self-assembled WS2 pyramids
二维过渡金属二硫属化合物（2D-TMDs）由于其独特的光学性质，包括稳定的手性激子，在纳米光子学领域有着广阔的应用前景。化学气相沉积（CVD）技术提供了一个平台，以制造和设计具有不同几何形状的纳米结构。然而，生长的纳米几何学越奇特，对其光学响应的了解就越少。WS 2纳米结构的几何形状范围从单层到中空金字塔已被创建。空心金字塔表现出强烈减少的光致发光相对于水平分层的二硫化钨，促进其清晰的拉曼信号的研究更详细。在共振激发下，空心金字塔呈现出大量的高阶声子共振。与单层膜相比，金字塔的光学响应的光谱特征是位置相关的。峰强度、峰比和光谱峰位置的差异揭示了中空金字塔坑和侧面原子排列的局部变化。空心WS 2金字塔的位置相关的光学响应的特征在于，并归因于生长诱导的纳米几何。因此，第一步是朝着生产可调纳米光子器件，应用范围从光电子到非线性光学。
2021-11-10 physics.optics
Hybrid Nanophotonics
等离子体激元学领域的进展，即基于金属纳米结构的光学性质的纳米光子学，为开发超灵敏生物传感器和其工作原理基于纳米尺度电磁场定位的其他设备铺平了道路。然而，金属纳米结构的高耗散损耗限制了它们在许多现代领域的性能，包括超表面、超材料和光学互连，这需要开发将它们与高折射率介电纳米颗粒相结合的新器件。从实际应用的角度来看，金属-电介质（杂化）纳米结构显示出许多优越的性质，包括适度的耗散损耗、共振光磁响应、强的非线性光学性质，使该领域的发展成为现代光科学的前沿。本文综述了混合金属-电介质纳米天线和基于它们的纳米结构的理论和实验研究现状，能够选择性地散射光波，放大和传输光信号，控制这些信号的传播，并产生光学谐波。
2018-01-16 physics.app-ph physics.optics
Theory of self-induced back-action optical trapping in nanophotonic systems
光阱是物理学和生命科学中不可缺少的工具。然而，在要捕获的粒子的大小、其空间限制和所需的强度之间存在明显的权衡。这是由于较小颗粒的光学响应降低以及控制光场空间变化的衍射极限。因此，非常希望找到超越这些界限的技术。最近，一些使用纳米光子腔的实验已经观察到一种定性不同的捕获机制，称为“自诱导反作用捕获”（SIBA）。在这些系统中，粒子运动耦合到腔的谐振频率，这导致腔内场强度和所施加的力之间的强烈相互作用。在这里，我们提供了一个理论描述，第一次捕捉到了显着的后果范围。特别是，我们表明，SIBA可以被利用来产生动态重塑的陷阱电位，强烈的亚波长陷阱功能，并显着降低强度所看到的粒子，这应该有重要的意义，为未来的捕获技术
2015-05-11 physics.optics quant-ph
Nanobenders: efficient piezoelectric actuators for widely tunable nanophotonics at CMOS-level voltages
需要调整和重新配置纳米光子组件以实现包含许多组件的系统。静电力可以使结构变形并调节其光学响应。尽管静电致动器取得了成功，但它们受到调谐电压、调谐范围和片上面积之间的权衡。压电驱动可以解决所有这些挑战。标准材料具有大约${0.01}~\text{nm/V}$的压电系数，这表明使用大约1伏的电势的极小的片上致动。在这里，我们提出并展示了紧凑的压电致动器，称为纳米弯曲器，每伏纳米数。通过利用亚微米电极的非均匀电场，我们产生了压电纳米梁的弯曲。结合一个切片光子晶体腔来感测位移，我们展示了由$\sim 5~\text{nm/V}~({0.6}~\text{THz/V})$以及仅用$ {4}~\text{V}$的$1520$和$1560~\text{nm}$（$\sim 400$线宽）之间的光学谐振的调谐。最后，我们考虑其他可调纳米光子组件启用纳米弯曲。
2019-11-20 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Extraordinarily Large Permittivity Modulation in Zinc Oxide for Dynamic Nanophotonics
材料的介电常数将光-物质相互作用的基本物理学封装到材料对光激发的局部响应中。动态的光致介电常数调制可以实现对光的相位、振幅和偏振的前所未有的控制水平。因此，详细的动态特性的技术相关的材料，基本上可调的光学性能和快速响应时间是实现可调光学器件的关键步骤。这项工作报告的非常大的介电常数变化的氧化锌薄膜（高达-3.6相对变化的介电常数的实部在1600 nm波长）引起的光学产生的自由载流子。我们展示了宽带反射调制高达百分之七十的金属背衬氧化物反射镜在电信波长，皮秒尺度的弛豫时间。通过控制泵浦能量密度，可以使薄膜在零点附近的折射率从8.5 μ m动态变化到1.6 μ m。最后，我们表明，调制可以选择性地增强在特定的波长采用金属背衬ZnO磁盘，同时保持皮秒级的开关时间。这项工作提供了对氧化锌中自由载流子辅助介电常数调制的见解，并可以实现用于光束转向，偏振器和空间光调制器的新型动态器件。
2020-08-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Enhanced Excitation and Emission from 2D Transition Metal Dichalcogenides with All-Dielectric Nanoantennas
最近出现的基于高折射率介电纳米颗粒中的光学米氏共振的全介电纳米光子学的概念已经被证明是一种有前途的途径，以促进纳米尺度下的光-物质相互作用。在这项工作中，我们讨论了介电纳米谐振器与二维过渡金属二硫属化物（二维TMDC）的相互作用，导致弱耦合和强耦合制度的机会。我们进行了全面的分析明亮的激子光致发光（PL）增强从各种二维TMDC，包括WS 2，MoS 2，WSe 2，和MoSe 2通过它们的耦合到硅纳米粒子的米氏共振。对于每一种情况下，我们找到相应的最大PL增强考虑到激发速率，珀塞尔因子，和辐射效率的系统参数。我们数值证明，全介质硅纳米天线可以显着提高PL强度从二维TMDC的一个因素，通过精确的几何和材料参数的优化。我们的研究结果可能是有用的高效率的二维TMDC为基础的光电，纳米光子和量子光学器件。
2018-10-15 physics.optics
Macroscopic Magneto-Chiroptical Metasurfaces
与分子系统相比，纳米光子手性天线表现出数量级更高的圆二色性（CD）。在纳米水平上合并磁性和结构手性可以有效地控制二向色性响应，为有源纳米光子器件和磁手性带来令人兴奋的新前景。在这里，我们设计了宏观尺度的等离子体和铁磁螺旋天线的对映体磁光子超颖表面。混合的2D和3D手性纳米天线诱导大的CD响应，其中我们确定互惠和非互惠的贡献。这些超颖表面在很宽的光谱范围内同时具有手旋光和磁光响应，为在纳米尺度上研究磁手征提供了一个有吸引力的平台。进一步探索这种类型的磁光子超颖表面允许实现高灵敏度的手性传感器，并提示与偏振光操作的新型宏观光学器件的设计。
2021-03-23 physics.app-ph physics.optics
Understanding the nonlinear optical response of epsilon near zero materials in the time-domain
该研究开发了透明导电氧化物非线性光学响应的自洽时域模型，并验证了基于ITO的超表面显著增强非线性响应，实现了近零介电常数材料的定量纳米光子学设计。
2021-10-27 physics.comp-ph physics.optics
Nonlocal Optical Response of Particle Plasmons in Single Gold Nanorods
本研究通过实验与基于广义非局域光学响应理论的局域类比模型模拟对比，发现单根金纳米棒中的非局域等离激元阻尼效应弱于耦合系统，并验证了单颗粒暗场光谱学是探究该现象的有效工具。
2023-06-27 physics.optics
Mesa-top quantum dot single photon emitter arrays: growth, optical characteristics, and the simulated optical response of integrated dielectric nanoantenna-waveguide systems
纳米光子量子信息处理系统需要空间有序的、光谱均匀的单光子源（SPS），其与共同设计的光操纵元件集成在芯片上，提供发射速率增强、发射光子引导和无损传播。为了这个目标，我们考虑包括SPS阵列的系统，每个SPS耦合到基于电介质构建块（DBB）的多功能光操纵单元（LMU）。对于SPS阵列，我们报告触发单光子发射从GaAs（001）/InGaAs单量子点（SQDs）选择性生长在纳米台面上使用的方法的衬底编码的尺寸减小外延（SESRE）。系统的温度和功率依赖的光致发光（PL），PL激发，时间分辨PL，和发射统计研究揭示了高光谱均匀性和单光子发射在8 K与g（2）（0）的0.19 ± 0.03。基于SESRE的SPS阵列，在生长平坦化覆盖层之后，容易与随后使用2D光子晶体方法或如本文理论上研究的基于DBB的LMU制造的LMU集成。我们报告的模拟光学响应的SPS嵌入DBB为基础的纳米天线波导结构的多功能LMU。发射速率增强、引导和无损传播的多个功能源自调谐到980 nm的SPS目标发射波长的基于相互作用DBB的LMU的相同集体米氏共振（主要是磁性的）的行为。模拟利用分析方法，提供物理洞察所获得的数值结果。总之，结合实验和建模演示打开了一个丰富的方法来实现共同设计的片上集成SPS-LMU，反过来，作为集成纳米光子信息处理系统的基本元素。
2017-01-06 physics.optics
Bridging the Mid-Infrared-to-Telecom Gap with Silicon Nanophotonic Spectral Translation
硅纳米光子集成电路平台远远超出了电信波长光互连的传统应用，最近证明了其在2-8 μm范围内处理中红外（中IR）光信号的优点。中红外集成光学系统能够解决包括工业过程和环境监测、威胁检测、医疗诊断和自由空间通信在内的应用。快速的进展导致了各种硅元件的演示，这些元件是为中红外信号的片上处理而设计的，包括波导、垂直光栅耦合器、微腔和电光调制器。即便如此，芯片级系统持续发展的一个显著障碍是窄带隙半导体，如InSb和HgCdTe，传统上用于将中红外光子转换为电流。抑制暗电流噪声所需的低温或多级热电冷却（指数地取决于比率Eg/kT）可能限制用于中IR的小型、低功率和低成本集成光学系统的开发。然而，如果中IR光信号可以在光谱上转换为更短的波长，例如在近红外电信波段内，使用较宽带隙半导体（例如InGaAs或Ge）的光电检测器可用于消除过高的冷却要求。此外，电信波段探测器与中红外探测器相比，通常具有更高的探测率和更快的响应时间。在这里，我们解决这些挑战与硅集成的方法来光谱转换，通过采用有效的四波混频（FWM）和大的光学参量增益在硅纳米光子线。
2012-08-14 physics.ins-det physics.optics
Silicon nanophotonic chips featuring Sagnac loop reflectors as a basis for advanced optical spectral filters
提出并研究了基于自耦合光波导中两个Sagnac耦合环反射器（SLR）的光子集成滤波器。最近，我们提出了基于耦合和级联SLR的光子集成滤波器。在本文中，我们通过研究一种独特的方法，采用自耦合波导形成的耦合SLR推进这一领域。这使得我们能够实现高性能的滤波器功能，包括Fano类谐振和波长交错，通过定制设备中的相干模式干涉，具有更简单的设计和更高的制造公差。我们的设计考虑到了器件制造问题以及实际应用的要求。作为实际器件制造的指导，还提供了结构参数和制造公差对每个滤波器功能的影响的分析。Fano类谐振显示出1.1dB的低插入损耗（IL）、30.2dB的高消光比和747.64dB/nm的高斜率（SR）。低IL和高SR的组合使该器件有望用于Fano谐振应用。我们的器件还可以实现具有高制造容差的波长解交织功能，这对于诸如需要对称平顶滤波器形状的光学放大器的应用是有利的。光解复用器和光分插器是波分复用光通信系统中光信号复用和解复用的关键部件。具有简单设计、紧凑器件尺寸和高制造公差的多功能光谱响应使得这种方法非常有希望用于许多应用的灵活响应整形。
2022-04-08 physics.app-ph physics.optics
Interface second harmonic generation enhancement in hetero-bilayer van der Waals nanoantennas
本研究在WS₂/MoS₂异质双层薄膜界面实现二次谐波产生，并通过激子共振与环偶极子条件在天线中增强信号达百倍，展示了范德华材料在非线性纳米光子学中的潜力。
2024-11-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Planar chiral metasurfaces with maximal tunable chiroptical response driven by bound states in the continuum
具有高Q手性共振的光学超颖表面可以增强光-物质相互作用，用于手性响应的各种应用，如非线性、有源和非线性元器件。通常，这种超颖表面需要复杂的深度分辨纳米纤维来实现亚波长立体纳米结构，这带来了巨大的挑战，特别是在短波长范围内。在这里，我们提出了一种新的平面设计的手性超颖表面支持束缚态的连续（BIC），并证明实验手征光学响应与记录高Q因子（Q=390）和近乎完美的圆二色性（CD=0.93）在光学频率。简化的亚原子是高度双折射的，并且支持缠绕椭圆本征偏振，其具有围绕BIC偏振奇异性的相反螺旋度，提供了一种方便的方式，用于通过破坏面内对称性或改变照射方向来实现最大平面手性。在平面超颖表面中实现的这种急剧共振手性有望在经典和量子光学中实现各种实际应用，包括手性传感，对映体选择和手性量子发射器。
2021-12-14 physics.optics
Physically Grounded Monocular Depth via Nanophotonic Wavefront Encoding
New York University（纽约大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究旨在解决单目深度感知中度量尺度模糊问题，核心方法是用超透镜通过纳米光子学编码深度线索，结合DFMs与输入自适应策略及模拟管道，实验证明该方法有效提升单目度量深度传感精度。
2026-09-21 cs.AR cs.CV physics.optics
Thin On-Sensor Nanophotonic Array Cameras
Princeton University（普林斯顿大学）；University of Washington（华盛顿大学）
本文提出一种基于倾斜微透镜阵列超表面与可微优化及生成扩散模型重建方法的平坦纳米光子计算相机，在700纳米厚度下实现宽带百万像素成像。
2023-08-05 cs.CV physics.optics
Magnetic Octupole Response of Dielectric Oligomers
在现代纳米光子学中，发展新的方法来调节简单的全介质纳米结构的共振磁响应是非常重要的。在这里，我们表明，共振磁八极（MOCT）的响应，可以通过划分一个固体矩形硅块的低聚物结构与四个纳米立方体之间的窄间隙的介绍。我们通过改变纳米立方体之间的距离来控制和调谐MOCT共振的光谱位置。我们证明了几个磁热点相关的MOCT共振可以位于间隙中创建一个强大的磁场梯度在自由空间。我们观察到，MOCT矩的共振激发导致在光谱区域，在体硅中的光吸收是弱的系统中的光吸收的显着增强。这项工作的结果可以应用于设计新的复合天线和超材料的基础上复杂的积木，能量收集设备和分子捕获与磁热点。
2019-10-10 physics.optics
Gallium phosphide on insulator for nanophotonics and quantum technologies
Friedrich Schiller University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Max Planck School of Photonics（马克斯·普朗克光子学校）；Helmholtz-Institut Jena（耶拿亥姆霍兹研究所）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（达姆施塔特重离子研究中心）；Laser Physics Centre, Research School of Physics, Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院激光物理中心）
本研究采用离子切片工艺制备绝缘体上磷化镓衬底，经优化工艺获得高性能磷化镓薄膜，为纳米光子学与量子技术提供了新型材料平台。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Deterministic spatio-temporal control of nano-optical fields in optical antennas and nano transmission lines
我们表明，脉冲整形技术可以应用于定制的超快时间响应的强烈限制和增强的光学近场的谐振光学天线（ROA）的馈电间隙。使用有限差分时域（FDTD）模拟，然后进行傅里叶变换，我们得到的纳米结构在频域中的脉冲响应，这允许获得其时间响应任何任意脉冲形状。我们应用该方法来实现确定性的最佳时间场压缩ROA的对称性降低，并在两线传输线连接到一个对称的偶极天线。这里所描述的方法将是重要的实验，涉及相干控制场的传播在纳米光子结构和光诱导过程中的纳米尺度的体积。
2008-07-30 physics.optics
Van der Waals Materials for Applications in Nanophotonics
本文评估11种vdW晶体的光学响应，并在SiO2与金上制备纳米天线，展示高折射率Mie共振、混合Mie–等离激元模式、扭转堆叠调控及转移能力。
2022-10-31 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Relations between near-field enhancements and Purcell factors in hybrid nanostructures of plasmonic antennas and dielectric cavities
本文理论揭示了混合等离子体-介质纳米结构中近场增强与珀塞尔因子并非完全正相关，消光截面是决定珀塞尔因子的关键因素，并给出了耦合系统珀塞尔因子的预测方法与极限。
2024-01-15 physics.optics
Can crystal symmetry reshape ENZ photonics?: Opinion
University of Lisbon – Instituto Superior Técnico and Instituto de Telecomunicações（里斯本大学 - 高等技术学院与电信研究所）
本文围绕ENZ光子学，提出可利用低对称性导体的晶体对称性调控其响应，这类材料或能实现偏振相关增益等效应，可应用于有源与时变纳米光子学。
2026-08-05 physics.optics
Omnidirectional field enhancements drive giant nonlinearities in epsilon-near-zero waveguides
具有接近于零的相对介电常数$\varepsilon$的块体材料表现出巨大的克尔非线性。然而，利用导波几何形状中的这种响应并不简单，这是由于ε近零材料的极端和违反直觉的性质。在这里，我们调查，通过严格计算的克尔非线性系数，如何显着的非线性特性，这些材料可以利用在几种不同类型的结构，包括散装薄膜，等离子体纳米线，和金属纳米孔。我们发现，当模式面积和群速度同时最小化时，对应于全向场增强，克尔非线性响应最大。开发的物理见解将是理解和工程非线性纳米光子系统与极端非线性的关键，并指向新的设计范式。
2020-09-08 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
Magnetoplasmonic Quasicrystals
纳米磁光材料的光共振特性为利用磁场实现光控制开辟了一条非常有效的途径，这对于通信和传感应用具有重要意义。然而，由于其谐振特性，它们的响应通常是窄带的。在这里，我们展示和研究一种新型的磁等离子体结构，磁等离子体准晶，它表现出独特的磁光响应。它由磁性介电膜覆盖的薄金层穿孔的狭缝形成斐波那契样的二元序列。横向磁光克尔效应（TMOKE）获得可控的多个等离子体相关共振，导致在宽频率范围内的磁光响应。宽带TMOKE是有价值的许多纳米光子学应用，包括光学传感，控制光，全光控制磁化等另一方面，TMOKE光谱是一个有效的工具，用于调查的特性等离子体准晶体。
2018-02-13 physics.optics
Graphene optical nonlinearity: From the third-order to the non-perturbative electrodynamic regime
发展了一种石墨烯光学非线性的非微扰模型，用于研究超快脉冲沿单层的传播，如含石墨烯的纳米光子集成波导的情况。这种石墨烯“热电子”模型（GHEM）建立在早期工作的基础上，基于二维半导体的费米-狄拉克框架，其主要目的是在自由空间激光束照射下单层的稳态吸收响应。我们的扩展适应的GHEM平面内光物质相互作用下沿石墨烯单层强烈的ps脉冲激发，导致载流子密度饱和制度。我们首先提供了一个定量概述的“经典”微扰三阶非线性响应，然后研究石墨烯的静态和瞬态响应作为GHEM参数的函数，重点是单层质量和电压可调性。这些结果进行了比较，饱和吸收和非线性折射的唯象模型，最近的实验工作显示出良好的一致性。总之，GHEM将实验观察到的吸收和折射光学非线性统一在一个单一的多参数框架中，因此能够评估衍射限制纳米光子波导等结构中的电压可调光-物质相互作用。这种形式主义可以很容易地采用太赫兹频率，适应多通道（例如泵浦探测）的非线性效应，或开发，包括载波和晶格温度扩散，以扩展其有效性阈值。
2022-03-17 cond-mat.mes-hall physics.optics
