Six-wave mixing induced by free-carrier plasma in silicon nanowire waveguides
介观硅结构中的非线性波混频是一种具有广泛影响和应用的基本非线性过程。特别是硅纳米线波导，具有很大的三阶克尔非线性，使突出和丰富的四波混频动力学和功能。除了克尔效应之外，在硅波导中，双光子吸收产生高的自由载流子密度，并以自由载流子色散和自由载流子吸收的形式产生相应的五阶非线性。然而，这些五阶自由载流子非线性效应是否会导致六波混频动力学仍然是一个悬而未决的问题，直到现在。在这里，我们报告的演示自由载流子诱导的六波混频在硅纳米线。独特的功能，包括六波混频效率和它的较高的灵敏度的逆失谐依赖性，最初观察和验证的分析预测和数值模拟。此外，观察到不同的激光失谐的非对称边带产生，导致自由载流子六波混频和克尔四波混频动力学之间的相敏相互作用。这些发现为研究纳米尺度平台上的非线性多波相互作用提供了新的途径。
2016-09-22 physics.optics
Position-sensitive spectral splitting with a plasmonic nanowire on silicon chip
片上纳米光子学是新一代信息技术的基础，但它受到光的衍射极限的挑战。由于能够将光限制在（深）亚波长体积中，等离子体激元使得可以显著地将光学器件集成到硅芯片中。在这里，我们表明，通过级联纳米光栅与不同的周期性银纳米线顶部硅，不同的颜色可以在空间上分离，并按时间顺序释放在不同的光栅结。所释放的光的频率取决于光栅的排列和双周期性。因此，纳米线充当光谱分离器，用于以十飞秒级间隔在不同纳米尺度位置处对光子进行分类/解复用。这种纳米线可以进一步构造成紧凑的2D网络或电路。我们相信，这项研究提供了一个新的和有前途的方法，实现时空敏感的光谱分裂和纳米尺度上的光信号处理，并为一般集成的纳米光子学与微电子学。
2013-11-05 physics.optics
Phase Resolved Observations of Temporal Soliton Pulse Propagation in Silicon Nanowires
研究了时间孤子脉冲在硅纳米波导中的传输特性。利用相位分辨频率分辨光学门技术对这些非线性现象进行了数值模拟和实验研究。实验观察到孤子脉冲展宽，以及双光子吸收的脉冲分裂，和模拟匹配的所有实验结果。进一步的模拟与验证模型表明，压缩可以观察到厘米长的波导。本研究证明了在比光纤短得多的长度尺度上实现自持孤子脉冲传输的可行性，这为全光数据传输和计算提供了许多潜在的应用。
2013-02-02 physics.optics
Second Harmonic Generation in Lithiated Silicon Nanowires: Derivations and Computational Methods
本研究将研究计算方法来计算二次谐波产生（SHG）的非线性光学过程，将假设在锂离子插入到硅纳米线。首先，将确定其中传送SHG的介质是否是非中心对称的，或者该介质是否是反转对称的，其中作为二阶非线性光学现象的一部分的SHG不存在。它将被证明，决定SHG的主要相互作用是锂离子上的多光子吸收。量子谐振子（QHO）被用作背景，其产生横向于硅纳米线长度的电子和光子的相干态。用哈密顿量的矩阵元表示系统的能量，计算二阶非线性光学相互作用的概率密度，包括SHG、和频产生（SFG）和差频产生（DFG）。因此，可以看出，在不同浓度的锂离子（Li+）内的结晶硅（c-Si）矩阵的二阶非线性光学过程具有足够的概率，以创建二次谐波产生，可能被用于这样的应用，如二次谐波成像显微镜。
2021-10-17 physics.optics
Continuous-wave operation and 10-Gb/s direct modulation of InAsP/InP sub-wavelength nanowire laser on silicon photonic crystal
利用低温下的光抽运技术，在硅光子晶体上实现了亚波长（~111 nm直径）单纳米线（NW）连续波（CW）激光器，并实现了10 Gb/s的直接调制。为了估计小信号响应和伪随机位序列（PRBS）调制我们的CW激光器，我们采用了一种新的信号检测技术，采用超导单光子探测器和时间相关单光子计数模块。结果表明，我们的NW激光器在10 Gb/s以上被明确调制，并获得了一个开放的眼模式。这是第一个演示的电信波段CW NW激光器与高速PRBS调制。
2017-02-09 physics.optics
Photonic light trapping in silicon nanowire arrays: deriving and overcoming the physical limitations
与硅（Si）薄膜相比，受阻对准的独立式硅纳米线（SiNW）阵列用作光子谐振器，其不仅吸收更多的可见光（VIS）和近红外（NIR）光，而且还显示出增强其作为太阳能吸收器的性能的固有光子光集中。使用数值模拟，我们显示，如何诱导光的浓度由高光学截面的个别硅纳米线，但不能独立的硅纳米线阵列的吸收优化。虽然存在理想的空间密度，其中SiNW阵列对VIS和NIR波长的吸收达到最大值，但阵列中SiNW的空间相关性抑制了导致光集中的光学Mie模式的形成。我们发现，与直侧壁的硅纳米线不同，倒置硅纳米锥（SiNC）阵列允许避免模式抑制。事实上，它们产生了一组改变的光子模式，这是由阵列中SiNC的空间相关性引起的，因此显示出更高的自由度来独立地优化光吸收和光集中。除了解释良好的光吸收和聚集性能的SiNC阵列，工作证明了重估的硅纳米线阵列作为光吸收体。
2016-05-16 physics.optics
Optical performance monitoring at 640Gb/s via slow-light in a silicon nanowire
我们演示了在40 Gb/s，160 Gb/s和640 Gb/s的比特率下，在紧凑的（80微米）色散工程的二维硅光子晶体波导中使用慢光增强型光学三次谐波产生（THG）的带内光学信噪比（OSNR）和残余色散的光学性能监测。我们表明，在640 Gb/s的信号处理相对于40 Gb/s的增强没有固有的退化，并且该器件应该在1 Tb/s以上工作。这项工作代表了硅器件处理速度创纪录的16倍增长，并为慢光在超高带宽电信系统中发挥关键作用打开了大门。
2015-05-13 physics.optics
Enhanced spectral broadening via self-phase modulation with femtosecond optical pulses in silicon nanowires integrated with 2D graphene oxide films
实验研究了飞秒光脉冲在集成了二维氧化石墨烯（GO）薄膜的绝缘体上硅（SOI）纳米线波导中传输后的光谱展宽。由于SOI纳米线和具有高克尔非线性的GO膜之间的强模式重叠，混合波导中的自相位调制（SPM）过程被显著增强，从而大大改善了飞秒光脉冲的光谱展宽。一种基于溶液的无转移涂覆方法用于将GO膜集成到SOI纳米线上，并精确控制膜厚度。使用飞秒光脉冲进行详细的SPM测量，实现了高达~4.3的展宽因子的设备与0.4毫米长，2层的GO。将实验结果与理论进行拟合，得到了相对于未涂覆的波导，波导非线性参数提高了~3.5倍，有效非线性优值提高了~3.8倍。最后，我们讨论了GO膜长度对光谱展宽的影响，并比较了不同GO膜厚度集成波导的非线性光学性能。这些结果证实了与2D GO膜集成的硅器件的改善的非线性光学性能。
2022-05-14 physics.optics
Optical properties of coupled silicon nanowires and unusual mechanical inductions
最近对金属纳米线之间的光子耦合的研究揭示了系统中新的自由度。当用线偏振平面波照射时，在二聚体上诱导出意想不到的自旋力矩。作为近场观测量，扭矩谱比典型的远场谱表现出更多的可分辨共振。在这里，研究扩展到硅二聚体。强的力和力矩是由光在偏振态s和p下施加的，这与等离子体系统相反，在等离子体系统中，仅在p偏振下发现共振强的力。由高介电质制成的系统具有体积共振，其诱导的力不同于具有表面共振的等离子体系统。强近场中的不对称性是系统不寻常力学的原因。其后果可能包括破坏作用-反作用原理或出现拉力。数值研究是基于一个精确的方法。这项工作被认为是纳米旋转器和纳米探测器的设计。提出了一种关于光学力的新观点：电磁场拓扑变化的合力动力学。
2018-04-03 physics.optics
Tailoring Transverse Magneto-Optical Kerr Effect Enhancement in Mie-resonant Nanowire-based Metasurfaces
本研究针对基于Mie共振硅纳米线的镍衬底混合超表面，通过调控纳米线宽度调制面内磁偶极子Mie模式，实现了2.2%-3.8%范围内可定制的横向磁光克尔效应增强，其机制关联界面近场与模式远场响应的变化。
2024-11-13 physics.optics
Monolithic InGaAs nanowire array lasers on silicon-on-insulator operating at room temperature
芯片级集成光源是广泛的光子学应用中的关键组件。III-V族半导体纳米线发射器由于其优异的材料特性、极其紧凑的尺寸以及直接在晶格失配的硅衬底上生长的能力而作为一种迷人的方法而受到关注。尽管纳米线发射器已经取得了显著的进展，但由于纳米线发射器与光子集成电路（PIC）集成的困难，其实际应用仍处于早期阶段。在这里，我们展示了第一次光泵III-V纳米线阵列激光器单片集成在绝缘体上硅（SOI）平台。纯单晶InGaAs/InGaP核/壳纳米线在SOI衬底上的选择性区域生长使纳米线阵列能够形成具有优异光学和结构特性的光子晶体纳米束腔，从而使激光器在室温下工作。我们还表明，纳米线阵列激光器有效地耦合SOI波导采用纳米外延预图案化的SOI平台上。这些结果为超紧凑和节能的光链路提供了一个新平台，并明确指出了实用和功能性纳米线激光器的方向。
2017-01-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Graded index and randomly oriented core-shell silicon nanowires with broadband and wide angle antireflection for photovoltaic cell applications
具有宽频带和宽角度特性的减反射膜对于光伏电池和显示器的广泛应用是重要的。SiOx壳层提供从空气到Si芯吸收层的天然热交换。在这项工作中，我们已经证明了随机核-壳硅纳米线具有宽带（从400 nm到900 nm）和宽角（从垂直入射到60 \degree）在AM 1.5太阳光谱范围内的双折射特性。来自随机取向的核-壳（Air/SiOx/Si）纳米线的渐变折射率结构可以提供实现宽带和宽角度折射率层的潜在途径。
2011-08-04 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Excitation of nanowire surface plasmons by silicon vacancy centers in nanodiamonds
金刚石中的硅空位（SiV）中心由于其窄的发射线而成为量子发射体的一个非常有前途的候选者。虽然许多不同的量子发射体已经被用于激发各种传播的等离子体模式，但SiV中心的相应开发仍然是迄今为止未知的领域。在这里，我们报告的银纳米线支持的表面等离子体激元模式的激发使用SiV中心的纳米金刚石。SiV中心荧光与表面等离子体激元的耦合被观察到，当位于纳米线附近的纳米金刚石被泵浦照射时，作为来自纳米线远端的辐射发射。耦合的影响也被视为SiV中心寿命的变化。最后，我们讨论了加强SiV中心耦合到表面等离子体模式的可能途径。
2017-06-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Growth and optical properties of axial hybrid III-V/Si nanowires
具有集成发光段的混合硅纳米线可以显著地推进纳米电子学和纳米光子学。它们将在纳米级器件中结合传输和光学特性，该器件可以在基本的单电子和单光子状态下工作。III-V族材料，例如直接带隙砷化镓，是这种光学段的优秀候选材料。然而，在晶体生长过程中，由于晶格失配、不同的膨胀系数和反相边界的形成，将它们与硅连接是一个重大挑战。在这里，我们展示了一个集成砷化镓段的硅纳米线。我们精确地控制催化剂成分和表面化学，以获得无位错的界面。高光学质量的砷化镓与硅的集成通过短的磷化镓缓冲层实现。我们预计，这种混合硅/III-V纳米线为量子信息器件开辟了实用路线，其中例如电子和光子量子比特在III-V段中被操纵并存储在硅部分中。
2012-10-31 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Enhanced nonlinear optical figure-of-merit at 1550nm for silicon nanowires integrated with graphene oxide layered films
分层2D GO膜与绝缘体上硅（SOI）纳米线波导集成，以实验证明通过自相位调制（SPM）观察到的增强的克尔非线性。使用大面积、无转移、逐层涂覆方法将GO膜与SOI纳米线集成，该方法产生膜厚度的精确控制。通过在SOI纳米线的二氧化硅包覆层中打开窗口来控制膜的位置和涂层长度。由于SOI纳米线和高非线性GO膜之间的强模式重叠，混合波导的克尔非线性显著增强。使用皮秒光脉冲的详细SPM测量显示涂覆有1至3层GO的2.2mm长的膜和具有5至20层GO的0.4mm长的膜的SOI纳米线的显著光谱增宽增强。通过将实验结果与理论进行拟合，得到了GO的n2随层数和脉冲能量的变化关系，显示了从二维单层到准体相行为的有趣的物理见解和趋势。最后，我们表明，通过用GO膜涂覆SOI纳米线，SOI纳米线的有效非线性参数增加了16倍，有效非线性品质因数（FOM）增加了约20倍，大于5。这些结果揭示了使用层状GO膜来改善硅光子器件的克尔非线性光学性能的强大潜力。
2020-04-17 physics.app-ph physics.optics
Ultrafast optical nanoscopy of carrier dynamics in silicon nanowires
本文提出可见-近红外泵浦-探测光学纳米显微方法，结合点偶极子模型，实现单根硅纳米线尺寸相关载流子寿命分辨及优于50 nm分辨率的局部衰减时间成像。
2022-11-15 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
NbTiN superconducting nanowire detectors for visible and telecom wavelengths single photon counting on Si3N4 photonic circuits
我们展示了铌钛氮化物超导纳米线图案化学计量氮化硅波导检测可见光和红外光子。在硅衬底上的绝缘体上使用氮化硅使我们能够同时实现可见光和红外线的光子电路，并将它们与纳米线检测器直接集成在芯片上。通过在该材料平台中实现行波检测器几何形状，我们实现了两种波长范围的高效单光子检测。我们的探测器是集成量子光学器件的理想选择，因为它们在宽带透明波导材料上提供了至关重要的功能。
2013-02-04 physics.optics quant-ph
Net on-chip Brillouin gain based on suspended silicon nanowires
光子-声子耦合的百年研究在过去十年中出现了令人瞩目的复兴。在早期对动力学反作用的观测的推动下，该领域发展到基态冷却和单个声子的计数。最近的一个分支研究了硅电路中行波、光学宽带光子-声子相互作用的潜力。在这里，我们报告连续波布里渊增益超过光损耗的一系列悬浮硅梁，选择性片上放大器的一步。我们获得的效率高达$10^{4} \, \text{W}^{-1}\text{m}^{-1}$，迄今为止在声子千兆赫范围内的最高。我们还发现，几何无序对纳米级声子为基础的技术构成了重大挑战的迹象。
2015-08-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
Electro-optic modulator based on Vanadium dioxide epsilon-near-zero vertical nanowire triple-cavity in Silicon Waveguide
我们提出了一种电光调制器，利用一个阵列的二氧化钒纳米棒工作在近场制度作为有源开关材料集成在硅波导。该调制器利用二氧化钒的绝缘体到金属的转变，以实现19.7 dB/微米的稳健调制深度，具有宽工作波长。使用模拟，我们演示了如何有效的超材料的介电常数可以通过改变纳米棒的几何形状调整到一个接近零的值。本文还提出了一种新颖的六边形阵列设计，实现了低插入损耗，同时保持了较强的调制深度。研究结果为设计具有高工作频率和低插入损耗的超紧凑型调制器提供了参考。
2022-03-02 physics.app-ph physics.optics
Ultra-thin silicon-on-insulator waveguide bend based on truncated Eaton lens implemented by varying the guiding layer thickness
具有不同几何形状的绝缘体上硅（SOI）波导已被用于设计各种集成光学部件。减小SOI波导的弯曲半径，降低弯曲损耗，对于减小光波电路的占地面积至关重要。与传统的SOI波导相比，超薄SOI波导的传输模式在芯层中的限制更少，并且可以穿透衬底和包层，从而导致更高的弯曲损耗。虽然已经利用各种弯曲机制来减少传统SOI波导的弯曲损耗，但是超薄SOI波导弯曲尚未被详细研究。在本文中，我们提出了一个60 nm厚的SOI波导弯曲的基础上，通过改变引导层的厚度实现截断伊顿透镜。三维全波模拟表明，所设计的波导弯曲，半径为3.9 $μm$，减少弯曲损耗从3.3到0.42分贝在1550 nm的波长。此外，1260-1675 nm波长范围的弯曲损耗低于0.67 dB，而C波段的弯曲损耗低于0.45 dB。
2020-01-19 physics.app-ph physics.optics
On-chip multiplexed multiple entanglement sources in a single silicon nanowire
片上硅（SOI）光子电路以其低损耗、小尺寸、兼容CMOS和电信通信技术等优点，成为最有前途的可扩展量子信息技术平台。多路复用纠缠源包括：基于1cm长单根硅纳米线的能量时间纠缠源、时间箱纠缠源和偏振纠缠源，所有这些源都兼容（100 GHz）密集波分复用（DWDM）系统。利用双光子干涉图、Bell不等式和量子态层析等方法对纠缠源的性质进行了表征。在超过5个通道对上产生多个缠结，具有约97%（100%）的高原始（净）活力。这些纠缠源的发射光谱亮度达到4.2 × 105 /（s·nm·mW）。比较了连续泵浦和脉冲泵浦下产生的光子对的质量。这些高质量的多路复用纠缠源使它们非常有希望用于未来的最小化量子通信和计算系统。
2017-05-09 physics.optics quant-ph
Interaction between light and highly confined hypersound in a silicon photonic nanowire
在过去的十年里，在光子学和声子学之间的边界上的研究激增。大多数的努力集中在高质量光学腔中的光与运动的耦合上，通常是为了观察机械振荡器的量子态。最近预测，在纳米硅光子线中，光-声相互作用的强度将急剧增加。在这里，我们第一次展示了近红外线和千兆赫声音在小芯硅线中的巨大重叠。导线由一个小支柱支撑，以阻挡外部声子泄漏的路径，将$\mathbf{10} \; \textbf{GHz}$声子捕获在$\mathbf{0.1 \; \boldsymbolμ}\textbf{m}^{\mathbf{2}}$下方的区域中。由于我们的几何形状可以盘绕起来形成环形腔，它为腔光学力学和布里渊散射之间的完全融合铺平了道路。这一结果预示着在密集集成的硅芯片上实现低占用空间的光泵激光器/半导体激光器和延迟线。
2014-07-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
