A photonic integrated circuit based erbium-doped amplifier
掺铒光纤放大器彻底改变了长距离光通信和激光技术。铒离子同样可以为光子集成电路中的有效光放大提供基础。然而,由于输出功率不足,这种方法迄今为止仍然不切实际。在这里,我们展示了一种基于光子集成电路的铒放大器,其输出功率达到145 mW,小信号增益超过30 dB,与商用光纤放大器不相上下,超越了最先进的III-V族异质集成半导体放大器。我们实现了这一点,最近出现的超低损耗Si 3 N4光子集成电路与米尺度长度的波导应用离子注入。我们利用该设备增加100倍的输出功率的孤子微梳,所需的低噪声光子微波产生或作为波分复用光通信的源。赋予Si 3 N4光子集成电路以增益使得能够实现各种基于光纤的器件的小型化,例如高脉冲能量飞秒锁模激光器。
2022-04-12 physics.app-ph physics.optics
Topologically integrated photonic biosensor circuits
本文提出利用光子拓扑边缘态作为鲁棒波导连接多个光子晶体生物传感器,构建拓扑集成光子生物传感器电路,显著提升抗无序能力,为下一代生物医学检测中的可靠片上集成提供了新方案。
2024-08-09 physics.app-ph physics.optics
Photonic integrated circuits in the continuum
被完全限制在辐射波的连续谱中而不与它们相互作用的波被称为连续谱中的束缚态(BIC)。尽管最近在纳米光子学中发现了BIC,但BIC的完全路由和控制还有待探索。在这里,我们通过在高折射率衬底上图案化低折射率材料来实验性地证明BIC在一个全新的光子架构中,其中通过工程几何参数消除了对衬底连续体的耗散。展示了基于BIC的光子器件,包括波导、微腔、定向耦合器和调制器。因此,这项工作提出了连续体中光子集成电路的关键步骤,并且能够在集成光子平台上探索新的单晶材料,而无需对单晶材料进行图案化的制造挑战。所展示的锂离子电池平台将促进用于光通信的功能性光子集成电路、单光子水平的非线性光学以及可扩展的光子量子信息处理器的开发。
2019-08-01 physics.app-ph physics.optics
Silicon carbide for integrated photonics
本文综述了碳化硅作为集成光子学材料平台的研究进展,涵盖其光学特性、光限制结构制造方法及量子信息应用,并讨论了该平台的前景、挑战与潜在解决方案。
2022-05-10 physics.app-ph physics.optics
Silicon photodetector for integrated lithium niobate photonics
我们展示了一个非晶硅光电探测器与薄膜锂酸盐光子平台在可见光波长范围内工作的集成。我们提出了这种金属-半导体-金属光电探测器的设计,制造,集成和实验表征的细节,其特征在于在跨越635 nm至850 nm波长范围的宽光带宽上的响应度为22 mA/W至37 mA/W。
2019-09-06 physics.app-ph physics.optics
Nonvolatile electrically reconfigurable integrated photonic switch
光子集成电路(PIC)的可重构性已经变得越来越重要,这是由于由新兴应用(包括神经形态计算、量子信息和微波光子学)驱动的对芯片上的电子-光子系统的日益增长的需求。这些领域的成功通常需要高度可扩展的光子交换单元作为基本构建模块。然而,目前的光子开关主要依赖于具有弱的、易挥发的热光或电光调制效应的材料,导致大的占地面积和高能耗。作为一种有前途的替代品,硫系相变材料(PCM)表现出强调制的静态,自保持的方式。在这里,我们展示了非易失性电可重构光子开关使用PCM包层硅波导和microwave谐振器,本质上是紧凑和节能。利用由原位硅PIN加热器致动的相变,在互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺中获得了具有高耐久性的接近零的附加损耗和可逆切换。我们的工作可能使非常大规模的通用可编程集成光子处理器。
2019-12-10 physics.app-ph physics.optics
Design of an aluminum nitride based electro-optic phase modulator and photonic switch for next generation scalable photonic integrated circuits
针对囚禁离子等原子物理实验的可扩展光子集成需求,设计了基于氮化铝波导、工作在411 nm的电光相位调制器与推挽结构光开关,经FEM仿真优化后实现了较低的$V_πL$,验证了AlN用于紫外光子集成电路的潜力。
2025-03-24 physics.app-ph physics.optics
High-performance lasers for fully integrated silicon nitride photonics
具有超低光损耗的氮化硅(SiN)波导实现了集成光子应用,包括低噪声、窄线宽激光器、芯片级非线性光子学和微波光子学。激光器是SiN光子集成电路(PIC)的关键部件,但是由于它们与高折射率III-V增益材料的大失配,难以与低折射率SiN波导完全集成。最近的多层异质集成演示提供了一个实用的解决方案,并使第一代激光器与SiN波导完全集成。然而,在光子学应用聚集的电信波长处具有高器件成品率和高输出功率的激光器仍然缺失,受到大的模式转换损耗、非优化的腔设计和复杂的制造工艺的阻碍。在这里,我们报告了SiN上的高性能激光器,通过SiN波导和亚kHz基本线宽输出数十毫瓦,解决了所有上述问题。我们还表明,赫兹级的线宽激光器是可以实现的集成技术。这些激光器与高$Q$ SiN谐振器一起,标志着迈向全集成低噪声氮化硅光子平台的里程碑。这种激光器应该在激光雷达,微波光子学和相干光通信中找到潜在的应用。
2021-04-17 physics.app-ph physics.optics
Modeling of photonic integrated resonators using advanced scattering matrix methods
提出基于散射矩阵方法的通用建模方法,通过将复杂光子集成谐振器划分为基本元件或独立子模块,实现对单向和双向光传播的模拟,为集成光子器件的设计与优化提供有用工具。
2025-02-03 physics.app-ph physics.optics
Monolithic Platform for Integrated Quantum Photonics with Hexagonal Boron Nitride
集成量子光子学(IQP)为实用的、可扩展的量子计算、通信和信息处理提供了一条途径。IQP平台的实现需要量子发射器与高质量光子电路的集成。然而,单片平台的材料范围受到同时需要高质量单光子源、高光学性能和可扩展纳米纤维技术的可用性的限制。在这里,我们展示了最近出现的量子材料六方氮化硼(hBN),包括锥形波导,微盘,和一维和二维光子晶体腔的IQP组件的制造。实现了品质因数大于4000的谐振器,并且我们设计了由单晶hBN制造的复杂、独立的IQP电路的原理验证。我们的研究结果显示了hBN用于可扩展的集成量子技术的潜力。
2023-03-06 physics.app-ph physics.optics
Wafer-scale low-loss lithium niobate photonic integrated circuits
薄膜铌酸锂(LN)光子集成电路(PIC)可以在电光和非线性光学器件中实现超高性能。迄今为止,实现仅限于芯片级概念验证。在这里,我们展示了单片LN PIC制作在4英寸和6英寸的晶圆深紫外光刻和显示平滑和均匀的蚀刻,实现0.27 dB/cm的光传播损耗的晶圆级。我们的研究结果表明,LN PIC从根本上是可扩展的,可以是高度成本效益。
2020-07-03 physics.app-ph physics.optics
Scalable photonic-phonoinc integrated circuitry for reconfigurable signal processing
本文利用蓝宝石上的氮化镓实现了无需悬浮结构的可扩展光子-声子集成电路,能够同时实现光声场的高效发射、灵活路由与可重构处理,并展示了声学介导的频分复用射频与光信号的可重构转换。
2025-03-02 physics.app-ph physics.optics
Suspended AlGaAs-Integrated Nonlinear Photonics
本文提出悬浮 AlGaAs 波导与微环谐振器平台,通过干湿结合刻蚀实现 Q 值达 2.1×10^6 并产生毫瓦级阈值 Kerr 光频梳,为高效集成非线性光子学开辟新途径。
2023-08-06 physics.app-ph physics.optics
Integrated Metasurfaces on Silicon Photonics for Emission Shaping and Holographic Projection
硅光子学在自由空间中的新兴应用,如LiDAR和量子光子学,促使通用的发射整形超出了传统光栅耦合器的能力。一个平台,提供任意成形的自由空间发射,同时保持CMOS兼容性和单片集成是迫切需要的。在这里,我们展示了一个平台,集成超颖表面单片硅光子集成电路。超颖表面由渐逝耦合到硅波导的非晶硅纳米柱组成。我们实验证明衍射限制光束聚焦与Strehl比为0.82,其中聚焦点可以在两个位置之间切换。我们还实现了一个元全息图实验上的硅光子芯片上的项目的图像。该平台可以为现有的硅光子生态系统添加一个高度通用的接口,以精确传递自由空间发射。
2022-05-21 physics.app-ph physics.optics
New opportunities for integrated microwave photonics
光子集成的最新进展将微波光子技术推向了新的高度。混合材料平台的接口能力,以增强光-物质相互作用,导致超小型和高带宽电光调制器,频率合成器的发展具有最低的噪声,芯片信号处理器的数量级增强光谱分辨率。另一方面,大批量半导体处理的成熟最终使光源、调制器和检测器完全集成在单个微波光子处理器芯片中,并开创了具有多功能和可重构性的复杂信号处理器的诞生。在这里,我们回顾这些最新的进展,并讨论这些新的前沿通信和信息处理的短期和长期应用的影响。我们还将展望集成微波光子学与其他领域(包括量子和神经形态光子学)交叉的未来前景。
2018-10-05 physics.app-ph physics.optics
Reinforcement learning enabled the design of compact and efficient integrated photonic devices
在本文中,我们介绍了集成光子器件的设计方法,采用强化学习称为吸引子选择。在这里,我们结合三维时域有限差分方法和吸引子选择算法,这是基于人工神经网络,以实现超紧凑和高效的光子器件,如波长解复用器和偏振分离器的低串扰。所提出的器件由与互补金属氧化物半导体技术兼容的绝缘体上硅材料组成,其结构尺寸使未来可能的制造工艺成为可能。数值结果在1550 nm左右的近红外波长,并与先前报道的结构的足迹为3 × 3微米2的设计的光子器件的性能进行了比较。因此,强化学习被成功地应用于设计更小和更好的集成光子器件,其中所提出的方法的使用可以进一步扩展到不同的应用。
2022-10-19 physics.app-ph physics.optics
Design, fabrication and metrology of 10$\,\times\,$100 multi-planar integrated photonic routing manifolds for neural networks
我们设计,制造和表征集成光子路由流形10个输入和100个输出使用两个垂直集成平面的氮化硅波导。我们分析流形通过顶视摄像机成像。这种测量技术允许快速获取数百个精确的透射测量值。我们展示了均匀和高斯功率分布模式的平均功率输出误差(平均超过10组的10个输入)为0.7和0.9分贝,分别建立作为一个可行的架构,精密光分布芯片上的流形。我们还通过自参考测试结构,包括高动态范围的光束抽头,波导削减结构,和波导交叉阵列,包括系统的无源光子元件的性能进行评估。
2018-05-09 physics.app-ph physics.optics
Integrated RF-photonic Filters via Photonic-Phononic Emit-Receive Operations
高性能窄带滤波器的产生对于许多RF信号处理应用具有极大的兴趣。为此,已经证明了用于电子、基于MEMS和微波光子滤波器的许多方案。基于微波光子系统的滤波方案提供了比传统RF滤波器更好的灵活性和可调谐性。然而,这些基于光学的滤波器通常限于GHz宽度,并且通常具有较大的RF插入损耗,这对集成到高保真射频电路构成了挑战。在这篇文章中,我们展示了一种新型的微波滤波器,它结合了微波光子滤波器的吸引人的功能与高Q声子信号处理,使用光子-声子发射-接收过程。通过该过程,在引导光波上编码的RF信号被转换到GHz频率声波上,其中在被重新编码到空间上分离的光学探头上之前,可以通过声学传递函数的成形对其进行滤波。这种发射-接收功能在集成硅波导中实现,产生MHz带宽带通滤波,同时支持微波光子链路中高动态范围所需的低RF插入损耗。我们还展示了创纪录的高内部效率的发射-接收操作的这种类型,并表明,发射-接收操作是唯一适合于创建串行滤波器组的保真度损失最小。这种光子-声子发射器-接收器代表了一种在集成全硅器件中进行低失真信号处理的新方法。
2017-11-17 physics.app-ph physics.optics
Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics
薄膜LNOI处理的最新进展已经实现了低损耗光子集成电路,具有改进的半波电压的调制器,电光频率梳和新型片上电光器件,应用范围从5G电信和微波光子到微波-光量子接口。锂酸盐集成光子电路同样可以成为集成窄线宽频率捷变激光器的基础。抛光的锂离子晶体谐振器的开创性工作导致了电调谐窄线宽激光器的发展。在这里,我们报告的低噪声频率捷变激光器的基础上,锂钛酸盐集成光子学,并证明其用于相干激光测距。这是通过超低损耗氮化硅光子电路与薄膜锂离子电池的异质集成通过直接晶片键合实现的。该平台具有8.5 dB/m的低传播损耗,通过自注入锁定到III-V半导体激光器二极管,实现窄线宽激光发射(固有线宽为3 kHz)。谐振腔的混合模式允许电光激光频率调谐在12 PHz/s的速度与高线性度,低滞后,同时保持窄线宽。使用这种混合集成激光器,我们进行了概念验证FMCW激光雷达测距实验,分辨率为15厘米。通过充分利用锂的高电光系数,进一步改进光子集成电路设计,这些器件可以在CMOS兼容电压下工作,或实现毫米级距离分辨率。将低损耗的氮化硅集成光子器件与锂离子酸盐结合,提供了一个具有宽透明窗口的平台,可用于实现从可见光到中红外的超快可调谐激光器,应用范围从OCT和LiDAR到环境传感。
2022-08-11 physics.app-ph physics.optics
Triggered single-photon generation and resonance fluorescence in ultra-low loss integrated photonic circuits
该研究将量子发射体单光子源与晶圆级超低损耗氮化硅光子集成电路混合集成,实现了约920 nm波长下1 dB/m损耗的触发式纯单光子发射,并首次在片上观察到强驱动状态下的共振荧光,为构建规模化芯片集成光子量子信息系统迈出重要一步。
2022-02-09 physics.app-ph physics.optics
Ultrahigh Dynamic Range and Low Noise Figure Programmable Integrated Microwave Photonic Filter
微波光子学(MWP)在最近的过去已经采用了许多重要的概念和技术,包括光子集成、通用可编程性以及用于增强关键射频性能指标(诸如噪声系数和动态范围)的技术。然而,迄今为止,这些方面还没有在单个电路中同时实现。在这里,我们首次展示了一种多功能集成微波光子电路,该电路可实现片上可编程滤波功能,同时实现了>120 dB.Hz动态范围和15 dB噪声系数的创纪录高关键射频指标,这是以前无法达到的。我们解锁这个独特的功能,通过多功能的复杂频谱剪裁使用一个全集成的调制Transformer和双注入环形谐振器作为多功能光学滤波组件。这项工作打破了传统的集成,功能和性能的分散方法,目前阻止了在实际应用中采用集成的MWP系统。
2022-03-08 physics.app-ph physics.optics
Near ultraviolet photonic integrated lasers based on silicon nitride
基于III-V族半导体和硅光子学的组合的低相位噪声激光器在近红外光谱范围内得到了很好的建立。低损耗氮化硅基光子集成谐振器的最新进展使得其在1550 nm通信窗口中的相位噪声和频率捷变性能优于体外部二极管和光纤激光器。在这里,我们展示了第一次的混合集成激光器组成的氮化镓(GAN)为基础的激光二极管和氮化硅光子芯片为基础的微谐振器工作在记录低至410 nm的波长在近紫外波长区域适合于解决原子和离子的原子跃迁原子钟,量子计算,或水下激光雷达。使用自注入锁定到高Q(0.4 $\times$ 10 $^6$)光子集成微谐振器,我们观察到法布里-珀罗激光器在461 nm处的相位噪声降低了大于100 $\times$的因子,受限于器件的品质因数和背反射。
2022-03-29 physics.app-ph physics.optics
Low-loss fiber-to-chip interface for lithium niobate photonic integrated circuits
近年来,集成锂离子光路在高速调制、非线性频率转换和频率梳产生等先进的光子学功能方面有着广阔的应用前景。对于实际应用,具有低光纤到芯片耦合损耗的光学接口是必不可少的。到目前为止,光纤到芯片损耗(通常> 10 dB)主导典型LN光子集成电路的总插入损耗,其中芯片上传播损耗可以低至0.03 - 0.1 dB/cm。在这里,我们实验证明了一个低损耗的模式大小转换器之间的标准透镜光纤和亚微米LN脊形波导的耦合。该耦合器由两个倒锥组成,将脊形波导的小光模转换为LN纳米线的对称导模,具有与锥形光纤相匹配的更大的模面积。光纤-芯片耦合损耗小于1.7dB/面,具有较高的制造公差和可重复性。我们的研究结果为实际集成LN光子电路与光纤的有效接口打开了大门。
2019-02-24 physics.app-ph physics.optics
Topological photonic integrated circuits based on valley kink states
谷赝自旋是光子晶格中一种新的自由度,它为光子的操纵和增强光网络的鲁棒性提供了一种有趣的方法。在这里,我们实验证明了拓扑波导,折射,谐振,并在集成电路谷偏振光的路由。具体地说,我们发现,在不同拓扑谷相位的光子晶体之间的畴壁,存在一个拓扑保护的谷扭结状态,是背散射自由在急弯和终端。我们进一步利用这些谷扭结态来构造具有弯曲形状腔几何形状的高Q拓扑光子晶体腔。我们还展示了一种新的光学路由方案在多个谷扭结态的交叉点,在那里,由于光子的谷赝自旋光分裂违反直觉。这些结果不仅将导致稳健的光通信和信号处理,而且还为激光、量子光子对产生和光力学等领域的拓扑光子学基础研究打开了大门。
2019-08-10 physics.app-ph physics.optics
Ultrahigh-Q AlGaAs-on-insulator microresonators for integrated nonlinear photonics
砷化铝镓(AlGaAs)和相关的III-V族半导体具有优异的光电性能。它们还具有强的材料非线性以及高折射率。鉴于这些特性,AlGaAs是集成光子学的一个有前途的候选者,包括线性和非线性器件,无源和有源器件以及相关应用。对于集成光子学,低传播损耗是必不可少的,特别是在非线性应用中。然而,实现低损耗和高限制AlGaAs光子集成电路提出了挑战。在这里,我们展示了一个有效的减少表面粗糙度引起的散射损失完全蚀刻的高限制绝缘体上的AlGaAs波导,通过使用异质晶片键合的方法和优化的制造技术。我们展示了超高质量的AlGaAs微谐振器,实现了高达3.52E6的品质因数和高达1.4E4的精细度。我们还显示了超高效的频率梳代在这些谐振器,并实现了创纪录的低阈值功率的顺序为~20 uW和~120 uW的谐振器与1太赫兹和90 GHz的自由光谱范围,分别。我们的研究结果为AlGaAs作为一种专门用于非线性光子学的新型集成材料平台的实现铺平了道路,并为基于芯片的效率要求高的实际应用打开了新的窗口。
2020-04-30 physics.app-ph physics.optics
Lithography-free patterning of chalcogenide materials for integrated photonic devices
该研究利用硫系材料易氧化特性,提出激光诱导局部氧化的无光刻图案化方法,并在Sb2S3上实现高分辨率折射率调控及多种有源、无源集成光子器件。
2024-08-09 physics.app-ph physics.optics
Multi-functional interface between integrated photonics and free space
光子集成电路和自由空间元光学器件的组合具有解开技术结的能力,这些技术结由于其引导和成形电磁波的联合能力而需要先进的光操纵。光学系统的快速成型需要大规模的访问和组件的可重复性。这种能力代表了复合光子平台的制造和对准方面的功能挑战。在这里,我们报告了一个多功能接口,该接口展示了光子集成电路与自由空间耦合芯片的灵活且可互换组合的能力,该芯片具有780 nm波长下不同设计的低损耗元光学器件。我们表明,所设计的光学功能的鲁棒性和保真度可以实现没有事先精确表征的自由空间输入,也没有严格的光子集成芯片和元光学芯片之间的对齐。对于数值孔径为0.15的双曲面超透镜,尽管输入高斯椭圆变形高达35%并且组件的未对准高达20微米,但仍实现了约3微米的衍射极限光斑。全息显示器的峰值信噪比超过10相比,其地面真相也报道使用该平台,使这项工作的第一个接口,以形成光子集成模式到自由空间使用不同的衍射光学功能。
2022-08-29 physics.app-ph physics.optics
Programmable multifunctional integrated microwave photonic circuit on thin-film lithium niobate
针对微波光子链路集成化、高性能和多功能的挑战,首次基于薄膜铌酸锂强度调制器和可编程级联微环谐振器实现可调谐陷波滤波器,兼具高集成度等多性能优势与双频段滤波、干扰抑制功能,推动相关系统实用化。
2024-11-27 physics.app-ph physics.optics
MEMS for Photonic Integrated Circuits
本文综述了用于光子集成电路的微机电系统(MEMS)的研究进展。该领域利用纳米到微米尺度的力学来改进现有元件并在PIC中引入新功能。本文综述了MEMS驱动原理和集成光子学的机械调谐机制。在PIC的MEMS可调元件的艺术状态进行定量审查和严格评估,在现有的PIC技术平台的大规模集成的适用性。MEMS提供了一种强大的方法来克服PIC技术的当前限制,并使新的设计维度具有广泛的应用。
2022-12-10 physics.app-ph physics.optics
Data Driven Programming of Photonic Integrated Circuits
本文提出一种基于机器学习的数据驱动控制方法,通过预调集成移相器电功率补偿光子芯片制造缺陷和热串扰等非理想特性,并在3×3三角形MZI网格上实验验证其显著提升光子集成电路编程精度。
2025-08-28 physics.app-ph physics.optics
Experimental realization of a universal RF photonic integrated circuit
本文演示了一个通用的RF光子电路的操作,它由一个广义马赫曾德尔干涉仪的架构与其Nx 1组合器由一个NxN光DFT网络取代。所提出的电路结构可以用于SSB调制、频率上变频/下变频、倍频和相位相关子载波产生,这基于电路的输出端口和尺寸(N)的选择。另一种表示的电路也报告了一个系统的解复用的目的。一个传输矩阵的方法是用来开发的理论预测,通过模拟使用行业标准的软件工具进行验证。一个集成电路的基础上,硅光子技术在实验室中容易获得的是用于实验确认。
2022-02-11 physics.app-ph physics.optics
Amorphous metal oxide mixtures for high-Q integrated nonlinear photonics
针对集成非线性光子学中材料选择受限的问题,本文提出二氧化钛-五氧化二钽非晶金属氧化物混合物,通过调控成分降低氧缺陷密度并保持克尔非线性折射率,制备出品质因数达10⁷且光吸收降低1.7倍的微谐振器,拓展了材料设计维度。
2025-08-20 physics.app-ph physics.optics
1T'-MoTe$_2$ as an integrated saturable absorber for photonic machine learning
1T'-MoTe₂单层与硅氮化物波导集成,实现高耦合效率的饱和吸收行为,适用于光子神经网络的非线性功能实现。
2025-11-23 physics.app-ph physics.optics
Silicon nitride integrated photonics from visible to mid-infrared spectra
本文综述了氮化硅(Si₃N₄)集成光子学从可见光到中红外波段的技术趋势,介绍其微加工工艺细节,分析超宽波段下的性能局限与挑战,指明未来规模化与优化方向。
2024-05-16 physics.app-ph physics.optics
Tantala Kerr-nonlinear integrated photonics
集成光子学在现代科学和技术中发挥着核心作用,使从非线性科学到量子信息、超精密测量和传感以及数据通信和信号处理等高级应用的实验成为可能。具有良好性能的光学材料是集成光子学器件纳米制造的基础。在这里,我们描述了一种用于集成非线性光子学的材料,五氧化二钽(Ta $_2$ O $_5$,下文称为钽),其提供低本征材料应力、低光学损耗以及有效地进入克尔非线性过程。我们利用>800纳米厚的钽薄膜通过离子束溅射氧化硅晶片上沉积。氧化钽膜包含38 MPa的低残余拉伸应力,并且它们提供克尔指数$n_2$ =6.2(23)$\times10^{-19}$ m $^2$ /W,其比氮化硅高大约三倍。我们制造集成的非线性谐振器和波导,而没有化学计量氮化硅中普遍存在的开裂挑战。钽谐振器具有高达$3.8\times10^6$的光学品质因数,这使我们能够产生具有低阈值功率的超宽带克尔孤子频率梳。此外,钽波导能够从低能量超快种子脉冲产生近红外超连续谱。我们的工作介绍了一个通用的材料平台,集成,低损耗纳米光子,可以广泛应用,并实现异构集成。
2020-07-25 physics.app-ph physics.optics
Design of an integrated hybrid plasmonic-photonic device for all-optical switching and reading of spintronic memory
本文设计了一种集成混合等离激元-光子器件,通过双V形金纳米天线与光子晶体腔耦合,实现纳米级亚铁磁比特的全光开关与读取,克服了尺寸失配等挑战,优于裸波导。
2022-09-30 physics.app-ph physics.optics
Scalable Analysis for Arbitrary Photonic Integrated Waveguide Meshes
集成光学中采用的不同材料平台的制造工艺的进步正在为实现复杂程度不断增加的电路开辟道路。除了更传统的专用光子电路(ASPIC)范例之外,可编程多功能纳米光子学(PMN)方法是受类似方法启发的横向概念,这些方法已经在其他技术领域中使用。例如,在电子学中,与专用集成电路(ASIC)相比,现场可编程门阵列(FPGA)器件能够实现灵活得多的通用操作。在光子学中,(PMN)概念通过二维(2D)波导网格来实现,对于所述二维波导网格,可能的输入和输出端口的数量快速建立,并且此外,内部信号流路径使得传递函数的计算成为棘手的问题。在这里,我们报告了一个可扩展的方法的基础上,数学归纳法,允许一个获得的散射矩阵的任何二维集成光子波导网状电路组成的任意数量的细胞,这是很容易编程。据我们所知,这是第一次报告的种类和我们的研究结果打开的路径,以疏通这一重要的设计瓶颈。
2018-10-07 physics.app-ph physics.optics
Integrated photonics incorporating 2D materials for practical applications
本文展望2D材料集成光子学的工业制造与商业化发展,回顾其商业化最新进展,概述大规模集成等四类尖端制造技术的优缺点,并强调制造标准等商业化相关重要问题。
2025-04-15 physics.app-ph physics.optics
A heterogeneously integrated lithium niobate-on-silicon nitride photonic platform
本研究提出一种将铌酸锂薄膜晶圆级键合到成熟氮化硅光子集成电路的异质集成平台,兼具铌酸锂的电光特性与氮化硅平台的低损耗、可扩展优势,验证了多种器件功能,为代工厂级制备复杂低损耗铌酸锂集成光子电路提供可靠方案。
2022-09-12 physics.app-ph physics.optics
Ultra-high-speed high-resolution laser lithography for lithium niobate integrated photonics
光刻辅助化学机械蚀刻(PLACE)是一种专门开发用于在薄膜锂酸盐(TFLN)上制造高质量大规模光子集成电路(PIC)的技术,其使得能够制造从高质量(高Q)微谐振器和低损耗波导到电光(EO)可调谐激光器和波导放大器的一系列PIC构建块。针对PIC器件和系统的高产量制造,我们已经开发了一种超高速高分辨率激光光刻制造系统,采用高重复频率飞秒激光和高速多边形激光扫描仪,通过该光刻制造系统,在200 nm的空间分辨率下,光刻制造效率为4.8 cm 2/h。我们展示了基于TFLN的光子结构,光学相位掩模以及彩色印刷的晶圆级制造
2023-03-01 physics.app-ph physics.optics
Multifunctional photonic integrated circuit for diverse microwave signal generation, transmission and processing
微波光子学(MWP)研究微波和光波之间的相互作用,以产生、传输和处理微波信号(即,三个关键领域),利用现代光子学提供的宽带宽和低损耗的优势。利用光子集成电路(PIC)的集成MWP可以实现紧凑、可靠和绿色的实现。然而,大多数PIC是最近开发的,用于执行限制在单个域内的一个或多个功能。在本文中,作为高度期望的,一个多功能的PIC提出了涵盖这三个关键域。PIC是在InP平台上通过单片集成四个激光二极管和两个调制器制作的。使用多功能PIC,七个基本功能的微波信号产生,传输和处理的实验证明。同时,还进行了高速铁路电磁环境监测的室外试验。这种PIC的成功标志着实际和大规模MWP实施的关键一步。
2019-03-26 physics.app-ph physics.optics
Suspended gallium arsenide platform for building large scale photonic integrated circuits: Passive devices
硅基光子集成电路(PIC)在过去十年中取得的巨大成功自然引出了一个问题,即类似的制造过程是否可以应用于具有更理想光学特性的其他材料平台。在这项工作中,我们展示了个人的无源元件(光栅耦合器,波导,多模干涉仪和环形谐振器)必要的大规模集成电路中建立悬浮砷化镓(GaAs)。在悬浮GaAs中实现PIC是在具有严格器件约束的领域实现最佳系统性能的可行途径,例如用于艾级系统的节能收发器、集成电光梳状激光器、集成量子光子学、低温光子学和机电导波声光。
2019-12-10 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Linearized Integrated Microwave Photonic Circuit for Filtering and Phase Shifting
光子集成、高级功能、可重构性和高RF性能是集成微波光子系统中仍然难以同时实现的关键特征。在这项工作中,我们展示了一个集成的微波光子电路,可以重新配置为两个不同的RF功能,即,可调谐陷波滤波器和移相器。我们实现了$>$ 50 dB高消光陷波滤波器在6-16 GHz和2 $π$连续可调相移在12-20 GHz的频率。与此同时,我们实现了片内线性化技术,使两种功能的无杂散动态范围均超过120 $\rm{dB}\cdot \rm{Hz}^{4/5}$。我们的工作在一个光子集成电路中结合了多功能和线性化,为具有非常高性能的可重构RF光子前端铺平了道路。
2023-02-26 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Fabrication and Characterization of On-Chip Integrated Silicon Photonic Bragg Grating and Photonic Crystal Cavity Thermometers
我们报告的光子为基础的纳米温度计,硅光子布拉格光栅和光子晶体腔的制造和表征。当用二氧化硅层包覆时,传感器的灵敏度比传统的光纤布拉格光栅传感器的灵敏度高至少8倍。我们证明,这些光子温度计是一个可行的温度传感解决方案。
2015-08-06 physics.optics
Valley kink states and topological channel intersections in substrate-integrated photonic circuitry
谷自由度为提高信息处理的容量和效率提供了一种新的途径,已成为光子学的重要工具。谷-陈数相反区域界面处的光子拓扑谷扭结态的实验研究引起了人们的广泛关注,但目前的研究仅限于谷-陈数相反区域界面处,这在很大程度上限制了它们在几何相关拓扑通道交叉等方面的应用。在这里,我们实验证明和操纵谷扭结状态在亚波长衬底集成光子电路的通用接口。我们通过测量扭结态在扭曲界面和无序界面中的传输来验证扭结态的鲁棒性。基于一般界面上的谷扭结态,我们实现了几个拓扑通道交叉点,其中光子输运路径与交叉点的几何形状有关。与以前的工作相比,本发明的谷型光子晶体具有亚波长厚度和优异的自洽电屏蔽,这与传统的衬底集成光子电路完全兼容。我们的工作打开了一扇门,操纵光子谷伪自旋在基板集成电路的鲁棒性,易于访问,和轻量级。
2019-12-03 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Quantum Biosensors on Chip: A Review from Electronic and Photonic Integrated Circuits to Future Integrated Quantum Photonic Circuits
本文是首篇系统关联量子生物传感技术与微电子、光子芯片器件发展的综述,梳理了量子点、NV中心等传感方案,探讨其与各类集成电路的兼容性,指明高性能片上量子生物传感系统的技术发展方向。
2025-08-03 physics.optics
Chip-scale sub-Doppler atomic spectroscopy enabled by a metasurface integrated photonic emitter
本研究展示了一种集成光纤耦合的光子-超表面器件,实现了芯片级亚多普勒光谱学,通过高效发射准直光束并耦合反射光,无需对准,并提出了模型解释铷原子光谱特征。
2024-06-11 physics.app-ph physics.atom-ph physics.optics
High-order Radio Frequency Differentiation via Photonic Signal Processing with an Integrated Micro-resonator Kerr Optical Frequency Comb Source
我们展示了使用集成微谐振器为基础的光学频率梳源的微波和射频光子滤波和先进的功能的横向滤波功能的基础。
2018-04-07 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Demonstration of multivariate photonics: blind dimensionality reduction with analog integrated photonics
多天线无线电前端产生多维信息洪流,其中大部分是部分冗余的。通过降维消除了冗余,但是当代数字处理技术在实现这类函数时面临着苛刻的基本权衡。这些权衡可以在模拟域中被打破,在模拟域中,光学技术的性能大大超过电子技术。在这里,我们提出的概念,方法和多元光子学的第一个演示:集成的光子硬件,模拟降维,盲算法技术的组合。我们实验证明2通道,1.0 GHz的主成分分析在光子权重银行使用最近提出的算法,用于合成的接收机是盲目的信号的多变量特性。介绍了在实验室环境中控制失明状况的新方法。这项工作为进一步研究多元光子信息处理提供了基础,这将在未来几代无线技术中发挥作用。
2019-02-10 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Hybrid integration methods for on-chip quantum photonics
集成量子光子学的目标是将用于产生、操纵和检测非经典光的组件组合在一个相位稳定且高效的平台中。固态量子发射器最近已经达到作为单光子源的杰出性能。与此同时,光子集成电路已经发展到可以在芯片上控制数千个元件,并且具有高效率和相稳定性。因此,研究人员现在开始将这些领先的量子发射器和光子集成电路平台结合起来,以实现每种技术的最佳性能。在这篇文章中,我们回顾了基于这种混合系统的集成量子光子学的最新进展。虽然混合集成解决了单个平台的许多局限性,但它也带来了因连接不同材料而产生的新挑战。我们回顾了固态量子发射器和光子集成电路中的各种问题,桥接这两个系统的混合集成技术,以及基于芯片的光子和发射器操纵方法。最后,我们讨论了集成量子发射器的片上量子光子学的剩余挑战和未来前景。
2019-11-28 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Interfacing spiking VCSEL-neurons with silicon photonics weight banks towards integrated neuromorphic photonic systems
本研究实验验证了尖峰VCSEL神经元与硅光子微环权重库的两种互联配置,分别实现亚纳秒尖峰幅度加权和热调谐发放率编码,证明了两类器件集成用于神经形态光子系统的可行性。
2023-05-01 cs.NE physics.app-ph physics.optics
Low power reconfigurability and reduced crosstalk in integrated photonic circuits fabricated by femtosecond laser micromachining
飞秒激光写入是一种功能强大的技术,它可以快速、低成本地制造具有独特三维几何形状的光子集成电路。特别是,通过热光移相器重新配置这种设备的可能性代表了一个重要的特征,用于生产自适应和可编程电路。然而,可扩展性受到当前热移相器的缺陷的强烈限制,其需要数百毫瓦来操作并且表现出大的热串扰。在这项工作中,利用绝热三维微结构将引起2π相移所需的功率降低到37 mW,并将串扰降低到几个百分点。进一步的改进表明,在真空中工作时,亚毫瓦级的功耗和可忽略的串扰。这些结果为飞秒激光写入制造的复杂可编程集成光子电路的演示铺平了道路,从而打开了集成量子光子学的令人兴奋的前景。
2020-09-21 physics.app-ph physics.optics quant-ph
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
Machine Learning enables Ultra-Compact Integrated Photonics through Silicon-Nanopattern Digital Metamaterials
University of Utah(犹他大学);School of Computing, University of Utah(犹他大学计算学院)
在这项工作中,我们展示了三个超紧凑的集成光子器件,这是通过机器学习算法结合时域有限差分(FDTD)建模设计的。通过将设计域数字化为“二进制像素”,这些数字超材料也很容易制造。通过展示各种器件(分束器和波导弯曲),我们展示了我们的方法的一般性。由于占地面积小于${λ_0}^2$,我们的设计是迄今为止报道的最小的设计之一。我们的方法将机器学习与数字超材料相结合,以实现超紧凑,可制造的设备,这可以为新的“光子学摩尔定律”提供动力。"
2020-11-27 cs.LG physics.app-ph physics.optics