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
Tunable RF-photonic filtering with high out-of-band rejection in silicon
对高速和大带宽的不断增长的需求使得光子系统成为下一代通信和雷达技术的主要候选者。光子平台在保持小尺寸的同时实现高性能，并提供与纤维光学的自然接口以用于信号传输。然而，生产与RF元件竞争的尖锐窄带滤波器仍然具有挑战性。在本文中，我们展示了全硅RF光子多极滤波器与$\sim100\times$更高的光谱分辨率比以前可能在硅光子学。这种增强的性能是利用工程布里渊相互作用来获得长寿命的声子，大大延长了硅中可用的相干时间。这种基于布里渊的光机系统能够实现超窄（3.5 MHz）多极响应，可以在宽（$\sim10$ GHz）谱带上进行调谐。我们在一个全硅光机械波导系统，使用CMOS兼容的制造技术来实现这一点。除了大大提高硅光子学的性能外，我们还展示了可靠性和鲁棒性，这是将硅基光机械技术从科学实验台过渡到高影响力现场部署技术所必需的。
2020-03-11 physics.app-ph physics.optics
Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics
本文借鉴CMOS代际划分，梳理硅光子学从百万级走向数十亿级出货所面临的器件、电路、集成、封装及系统应用挑战，并展望新兴技术路线。
2024-01-19 physics.app-ph physics.optics
Post trimming of silicon photonics microresonators by nanoscale flash memory technology
闪存技术在现代微电子中广泛应用，并从根本上影响着我们的日常生活。考虑到光子电路，特别是硅光子电路的最新进展，现在有机会将闪存技术嵌入光子应用中。一个特别有前途的候选人，可以受益于这种集成是光子谐振器。到今天为止，芯片级谐振器是现代硅光子平台中必不可少的构建块。然而，由于不可避免的制造缺陷，它们的特性，特别是它们的谐振频率偏离它们的设计值，对这种装置的适用性施加了严格的限制。在这里，我们提出了一个解决方案，这个主要的障碍，并证明了这种谐振器后微调的电气方法。这是通过将完善的闪存技术集成到光子电路中来实现的。更具体地说，我们使用纳米级硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅（SONOS）结构，以便在位于硅器件层附近的薄氮化硅层中捕获电荷。这使得电荷能够在硅中积累，从而修改光学模式的有效折射率并因此修改谐振频率。通过这样做，我们提供了一个强大而优雅的CMOS兼容存储器解决方案，可以很容易地制造和商业化。我们期望这种方法为更有效地利用芯片级光子和电光系统中的谐振器和干涉仪铺平道路，具有广泛的应用，例如滤波器，调制器，传感器和激光器，仅举几例。
2017-05-21 physics.app-ph physics.optics
Fabrication-Robust Silicon Photonic Devices in Standard Sub-Micron Silicon-on-Insulator Processes
波导几何结构中的纳米级制造变化对有效折射率的扰动困扰着高折射率对比度光子平台，包括无处不在的亚微米绝缘体上硅（SOI）工艺。这样的变化对于相位敏感器件（诸如干涉仪和谐振器）是特别麻烦的，这些相位敏感器件由于这些制造引起的相位误差而表现出性能的急剧变化。在这封信中，我们提出并实验证明了一种设计方法，大大降低器件对硅宽度变化的敏感性。我们将这种方法应用于一个高度相位敏感的设备，环辅助马赫曾德尔干涉仪（RAMZI），并显示出相当的性能和足迹，以国家的最先进的设备，同时大大减少随机相位误差从蚀刻变化。这种灵敏度的降低通过显著降低所需的校正热调谐功率而直接实现为节能，从而为超节能的大规模硅光子电路提供了一条有前途的道路。
2022-05-23 physics.app-ph physics.optics
Cryogenic operation of silicon photonic modulators based on DC Kerr effect
光子集成电路在低温下的可靠运行将为新兴的计算平台提供新的能力，例如量子技术和低功耗低温计算。绝缘体上硅平台由于其优异的可制造性、CMOS兼容性和高元件密度而成为开发大规模光子集成电路的非常有前途的方法。然而，在低温下在硅中进行快速、高效和低损耗的调制仍然是一个突出的挑战，特别是在不添加外来非线性光学材料的情况下。在本文中，我们展示了基于直流克尔效应的调制在5 K的温度下，在GHz的速度，在硅光子器件内制造的CMOS工艺。这项工作开辟了道路的集成DC克尔调制器在大规模光子集成电路的新兴低温经典和量子计算的应用。
2020-07-04 physics.app-ph physics.optics
Hybrid integration of silicon photonics circuits and InP lasers by photonic wire bonding
III-V族光源与硅光子电路的有效耦合是集成光学的关键挑战之一。重要的要求是低耦合损耗，以及整个组件的小占地面积和高产量，以及使用自动化过程进行大规模生产的能力。在本文中，我们表明，光子引线键合解决了这些挑战，利用直写双光子光刻在光学芯片之间的三维自由形式的波导原位制造。在一系列概念验证实验中，我们将InP基水平腔面发射激光器（HCSEL）连接到无源硅光子电路，插入损耗降至0.4 dB。据我们所知，这是迄今为止已经证明的InP光源和硅光子芯片之间最有效的接口。我们的实验代表了将光子引线键合推进到混合光子多芯片组件的通用集成平台的关键一步，该集成平台将不同材料的已知良好管芯与高性能混合多芯片模块相结合。
2018-02-09 physics.app-ph physics.optics
Demonstration of 4H silicon carbide on aluminum nitride integrated photonics platform
本研究首次演示了4H碳化硅在氮化铝上的集成光子平台，通过替换底层材料并底切氮化铝，实现了高品质因数微环谐振器（高达180万）及高热导率测量，为光子集成提供了新方案。
2024-02-06 physics.app-ph physics.optics
New-generation silicon photonics beyond the singlemode regime
单模条件是导波动光学中光波导的重要设计准则之一。遵循单模条件的原因在于，当光沿着光波导传播超过单模状态时，可能激发高阶模，从而引入一些不期望的模式失配损耗以及模间串扰。因此，通常不允许多模光子波导。在本文中，我们提出了硅光子学的概念，超越了单模制度，开发了低损耗和低串扰的光传播的多模光子波导与加宽的硅芯。特别是，具有加宽芯区的硅光子波导即使没有任何特殊的制造工艺，也显示出基模的~ 0.1dB/cm的超低损耗。采用标准220-nm-SOI MPW铸造工艺制造的微型跑道谐振器首次显示出高达1.02*107的创纪录的本征Q因子，对应于仅0.065 dB/cm的超低波导传播损耗。在此基础上，首次实现了具有20.6MHz超窄3dB带宽和~20 GHz调谐范围的高性能硅基微波光子滤波器。利用该展宽SOI光波导实现了100 cm长的延迟线，测量的传输损耗为0.14 dB/cm。所提出的超越单模机制的硅光子学概念有助于解决高传播损耗的问题，并且还显著降低了由于波导尺寸的随机变化而导致的光的随机相位误差。特别是它使硅光子器件具有更高的性能，为新一代硅光子器件实现大规模光子集成铺平了道路。
2021-04-09 physics.app-ph physics.optics
Ultra-high endurance silicon photonic memory using vanadium dioxide
针对光子存储器因指标权衡难以实现超高耐久度的问题，提出使用二氧化钒的硅光子存储器，实现高达10^7次循环无退化且占位面积低于5 μm，可应用于原位训练的光子神经网络。
2025-02-03 physics.app-ph physics.optics
Dual-polarization multiplexing amorphous Si:H grating couplers for silicon photonic transmitters in the photonic BiCMOS backend of line
我们报告的偏振组合二维光栅耦合器（2D GC）的非晶硅：H，在后端的光子BiCMOS平台的线制造。二维GC可以用作混合硅光子相干发射器的接口，其可以在体硅晶片上实现。所制造的2D GC工作在电信C波段，并显示出-5 dB的实验耦合效率，晶片变化为+/-1.2 dB。可能的效率提高和改善性能稳定性，在未来的设计世代的概述和扩展到O波段设备进行了研究。
2022-01-11 physics.app-ph physics.optics
Surface acoustic wave photonic devices in silicon on insulator
平面光子集成电路中的光-机相互作用在基础研究和应用中引起了极大的兴趣。然而，在最具技术意义的光子学平台：绝缘体上硅中，光力学几乎是不存在的。以前的演示需要对硅结构进行欠蚀刻和悬挂。在这里，我们提出了表面声波光子器件在绝缘体上的硅，高达8 GHz的频率。表面波是通过金属光栅对调制泵浦光的吸收和热弹性膨胀发射的。表面波是通过光弹调制的光学探头在标准的赛道谐振器检测。器件不涉及压电致动、波导悬挂或混合材料集成。入射微波信号的波长转换和声学真实时间延迟高达40 ns的芯片上演示。最后，离散时间微波光子滤波器与多达六个抽头和20 MHz宽的通带实现使用声学延迟。该概念适用于集成微波光子学信号处理
2020-11-03 physics.app-ph physics.optics
Nonvolatile Silicon Photonic MEMS Switch Based on Centrally-Clamped Stepped Bistable Mechanical Beams
本研究提出一款兼容标准硅光工艺的非易失性2×2硅光子MEMS开关，采用静电梳齿致动器与中心夹持阶梯双稳态梁实现非易失性，具备微秒级开关速度、飞焦级开关能耗等优势，可用于大规模光开关及未来光子FPGA设计。
2024-09-11 physics.app-ph physics.optics
Silicon Carbide photonic platform based on suspended subwavelength waveguides
碳化硅（SiC）显示出光学和自旋相关特性的独特组合，使其对光子学和量子技术感兴趣。然而，通过全内反射来引导光可能难以实现，尤其是当SiC作为薄膜生长在较高折射率衬底（如硅）上时。制造悬浮，亚波长波导需要一个单一的光刻步骤，并提供了一个解决方案的限制问题，同时保持设计灵活性所需的一个可扩展的和完整的光子平台。在这里，我们提出了这样的平台的设计，可用于经典和量子光学操作。我们模拟了关键的光学元件，并分析了如何利用SiC的高非线性和它的缺陷。
2020-10-26 physics.app-ph physics.optics
Foundry's perspective on laser and SOA module integration with silicon photonics
本文从代工厂角度探讨将III-V族激光器和SOA模块与硅光子平台集成的解决方案，以解决硅间接带隙导致的光源集成难题，推动实用化可扩展集成光子学发展。
2024-02-20 physics.app-ph physics.optics
Designing Silicon Photonic Devices using Artificial Neural Networks
我们开发和实验验证了一种新的神经网络设计框架的硅光子器件，既实用又直观。该框架适用于几乎所有已知的集成光子器件，但作为案例研究，我们考虑简单的波导和啁啾布拉格光栅。通过使用人工神经网络，我们降低了计算成本相对于传统的设计方法超过4个数量级。我们还演示了抽象的设备模型，以一些简单的输入和输出参数相关的设计师。然后，我们将结果应用于各种设计问题，并通过实验将制造的设备与神经网络的预测进行比较。
2019-01-11 physics.app-ph physics.optics
Zero-change foundry compatible silicon photonics MEMS optical switch
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
该研究开发了一种零改动晶圆厂兼容的硅光子学MEMS光开关，在C波段消光比超30 dB、插入损耗小于1.5 dB，可与标准硅光子元件无缝配合，适用于高性能光互连场景。
2026-08-05 physics.app-ph physics.optics
High-performance Hybrid Lithium Niobate Electro-optic Modulators Integrated with Low-loss Silicon Nitride Waveguides on a Wafer-scale Silicon Photonics Platform
该研究在晶圆级硅光子平台上，通过异质集成将薄膜铌酸锂与低损耗氮化硅波导结合，制备出兼具高消光比、低插入损耗、超110 GHz带宽的高性能电光调制器，验证了可扩展制造的可行性。
2025-04-02 physics.app-ph physics.optics
Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics
集成光隔离器一直是光子集成电路（PIC）的一个长期挑战。一个理想的PIC集成光隔离器应该是由单片工艺制成，具有小的足迹，表现出宽带和偏振多样性的操作，并与多种材料平台兼容。尽管取得了重大进展，但迄今为止报道的光隔离器并不能满足所有这些要求。在这篇文章中，我们提出了单片集成的宽带磁光隔离器的硅和氮化硅（SiN）平台上的TE和TM模式操作具有创纪录的高性能，满足PIC应用的所有基本特性。特别是，我们展示了完全TE宽带隔离器，通过沉积高品质的磁光石榴石薄膜的侧壁上的Si和SiN波导，TE偏振片上激光器和放大器的应用程序的关键结果。这项工作演示了单片集成的高性能光隔离器的偏振多样性硅光子系统的芯片，使新的途径，赋予非互易光子功能的各种集成的光子器件。
2019-01-25 physics.app-ph physics.optics
Optimizing Cladding Elasticity to Enhance Sensitivity in Silicon Photonic Ultrasound Sensors
该研究通过建模与实验优化聚合物包层刚度，使硅光子超声传感器灵敏度较无包层提升四倍，并揭示其机制不能仅由杨氏模量解释。
2024-10-24 physics.app-ph physics.optics
Silicon photonic crystal cavities at near band-edge wavelengths
我们展示了光子晶体L3腔的谐振波长约为1.078 \textmu m的非掺杂绝缘体上的硅，旨在提高自发发射从磷施主束缚激子。\enspace我们已经优化了制造配方，使用容易获得的工艺材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为软电子束掩模和化学气相沉积（CVD）生长的氧化物层作为硬掩模。我们的双层抗蚀剂技术有效地产生了光子晶体腔，其品质因数（$Q$）为$\sim 5,000$，波长为$1.078$ \textmu m，在室温下使用腔反射测量法测量。我们观察到随着腔共振向较短波长移动（在波长$< 1.070$ \textmu m处的$Q \lesssim3,000$），$Q$减小，这主要是由于硅的本征吸收。
2018-09-28 physics.app-ph physics.optics
Ultra-directional high-efficient chiral silicon photonic circuits
手征光与物质的相互作用为光的基础研究和应用开辟了新的途径。传统的相互作用面临的挑战，在低方向性和效率的基础上的自旋轨道相互作用的光在微观波导。利用光子集成电路来有效地设计光子手征行为是一个关键问题。在这里，我们提出了超定向高效手征耦合的硅光子电路的基础上，低阶到高阶模式转换和干涉。我们表明，手征耦合的方向性，在原则上，可以接近负/正1与圆偏振输入，受益于完整的相消干涉和建设性干涉的基本机制。手征耦合效率可以超过70%，与非导模的散射可以忽略不计，远远高于传统的耦合机制。此外，手征硅光子电路可以作为一个完美的3 dB功率分配器，用于任意线偏振输入，也开辟了在芯片上确定手征性的可能性，进一步繁荣手征光学的发展。
2019-12-08 physics.app-ph physics.optics
High Energy Irradiation Effects on Silicon Photonic Passive Devices
本文研究了基于绝缘体上硅（SOI）技术的硅光子无源器件在高能中子和60 Co γ射线辐照下的辐射响应。微环谐振器（MRR）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的波长在高能中子辐照到1*1012 n/cm 2后均表现出蓝移;由于波导宽度不同，MZI器件的蓝移小于MRR。具有SiO2上包覆层的器件显示出对辐照的强耐受性。中子辐照导致光学器件的Si芯中的晶体对称性发生轻微变化，并且加速了没有SiO2包层的器件的氧化。SiO2层的2 μ m顶部包层显著提高了这些无源光子器件的辐射耐受性。
2021-12-29 physics.app-ph physics.optics
Scalable and efficient grating couplers on low-index photonic platforms enabled by cryogenic deep silicon etching
针对低折射率光子平台光栅耦合效率受限的问题，提出结合负衍射角自成像光栅与硅衬底低温刻蚀金属背反射器的策略，在氮化硅平台实现电信C波段-0.55 dB高耦合效率与近满良率。
2023-04-24 physics.app-ph physics.optics
Broadband nonvolatile electrically programmable silicon photonic switches
可编程光子集成电路（PIC）由于其在创建从人工神经网络和微波光子学到量子信息处理的下一代技术方面的潜力而最近获得了极大的兴趣。这种可编程PIC的基本构建块是一个可调谐的2 × 2开关，传统上由热光或自由载流子色散控制。然而，这些实现是耗电的、易失性的，并且具有大的占用面积（通常> 100 um）。因此，具有零静态功耗的真正的“设置和忘记”型2 x 2开关对于大规模PIC是非常理想的。本文报道了一种基于相变材料Ge_2Sb_2 Te_5的宽带非易失性电可编程2 × 2硅光开关。定向耦合器开关具有紧凑的耦合长度（64 um）、小插入损耗（<2 dB）和跨整个电信C波段的最小串扰（<-8 dB），同时保持了超过2，800个开关周期的创纪录高耐久性。这种开关构成了实现未来通用可编程硅光子系统的关键组件。
2022-01-13 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
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
Compact Broadband Low-Loss Taper for Coupling to a Silicon Nitride Photonic Wire
我们展示了一个超紧凑的波导锥在氮化硅平台。与将10 μ m宽的波导连接到1 μ m宽的光子线的长度为50 μ m的标准线性锥形相比，所提出的锥形在19.5 μ m的长度处提供95%的耦合效率。该锥形具有跨越800 nm的> 75%的光谱响应和对制造变化的弹性; >200 nm的锥形变化和末端波导宽度使透射率变化<5%。我们实验证明，对于短至19.5 μ m的锥度，锥度插入损耗<0.1 dB/转换，并且与标准绝热锥度相比，光子器件的占用空间减少了50.8%。据我们所知，所提出的锥度是氮化硅中有史以来报道的最短波导锥度。
2017-11-27 physics.app-ph physics.optics
Electrically-driven Acousto-optics and Broadband Non-reciprocity in Silicon Photonics
基于光子和声子之间可定制的相互作用的新兴技术承诺了从高保真微波信号处理到非互易光学和量子态控制的新能力。虽然已经在各种物理系统中研究了这种光-声耦合，但许多实现依赖于非标准材料和制造方案，这些非标准材料和制造方案难以与标准集成光子电路共同实现。值得注意的是，尽管在集成电光调制器方面取得了重大进展，但相关的声光调制器概念在硅光子学中仍然相对未被探索。在这篇文章中，我们演示了直接声光调制硅波导内使用电驱动表面声波（SAW）。通过将SAW换能器集成在具有标准绝缘体上硅光子平台的压电AlN中，我们利用硅的强弹光效应来调解线性光-声耦合。通过光刻设计，声光相位和单边带幅度调制器在1-5 GHz的范围内制造，表现出与现有的电光技术相媲美的折射率调制强度。将这种行波声光相互作用扩展到厘米级，我们在硅中创建了电驱动的非互易调制器。非互易工作带宽>100 GHz，插入损耗<0.6 dB。基于这些结果，我们表明，一个强大的声光隔离器所必需的单位效率的非互易调制，是触手可及的。声光调制器设计与CMOS制造和现有的硅光子器件技术兼容。这些结果代表了一种有前途的新方法，实现紧凑和可扩展的声光调制器，移频器，和非磁性光隔离器和环行器的集成光子电路。
2020-04-02 physics.app-ph physics.optics
On-Chip Optical Transduction Scheme for Graphene Nano-Electro-Mechanical Systems in Silicon-Photonic Platform
提出了一种石墨烯基纳米机电系统（NEMS）应变和位移的片上光学转换方案。对三种硅光子集成电路结构的可行性进行了详细的数值研究：马赫-曾德尔干涉仪（MZI），微环形谐振器和环形加载MZI。使用加载有具有2400的中等Q因子的环形谐振器的Mach-Zehnder干涉仪的基于折射率感测的技术可以分别产生对于位移和应变的28 fm/sqrt（Hz）和6.5E-6%/sqrt（Hz）的灵敏度。虽然任何相位敏感的集成光子器件都可以用于光学转换，但在这里，我们表明，通过将谐振与相位灵敏度相结合，可以实现最佳灵敏度。
2018-01-04 physics.app-ph physics.optics
Accelerating Silicon Photonic Parameter Extraction using Artificial Neural Networks
我们提出了一种新的硅光子参数提取工具，使用人工神经网络。虽然其他参数提取方法被限制到相对简单的设备，其响应很容易通过解析传递函数建模，但该方法能够提取具有离散数量的设计参数的任何设备的参数。为了验证该方法，我们设计并制作了集成啁啾布拉格光栅。然后，我们估计的实际设备参数迭代拟合同时测量的群延迟和反射曲线的人工神经网络输出。该方法快速、准确，能够模拟复杂的啁啾和折射率对比度。
2019-01-24 physics.app-ph physics.optics
Exploiting metamaterials, plasmonics and nanoantennas concepts in silicon photonics
光与亚波长金属纳米结构的相互作用是当前不同科学热点的核心，即等离子体，超材料和纳米天线。在过去的十年中，这些学科的研究已经产生了新的，强大的概念，提供了前所未有的程度的控制光操纵在纳米级。然而，直到最近，这些概念才被用于增加当前光子集成电路（PIC）中的光处理能力，传统上，光子集成电路仅依赖于元件尺寸大于光波长的电介质材料。在不同的PIC平台中，硅光子学有望成为主流，因为使用成熟的CMOS工艺制造能够大规模生产低成本PIC。在这篇综述中，我们讨论了引入超材料，等离子体和纳米天线领域的最新概念到硅光子集成平台的好处。我们回顾了这一方向的现有工作，并讨论了这种混合方法如何能够改善目前的PIC，使新的和破坏性的光子学应用。
2020-01-07 physics.app-ph physics.optics
Cooperative-Memory Photonic Reservoir using Modulation Nonlinearity: Circumventing the Speed Constraints of Nonlinear Silicon Microring Resonators
本文提出一种利用调制非线性和电子输出层协同记忆的光子储层，规避硅微环非线性速度限制，实现快一个数量级的计算，并在多项预测任务及光通信均衡中表现优异。
2025-04-23 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
Heterogeneous integration of silicon nitride and amorphous silicon carbide photonics
本文提出将非晶碳化硅（a-SiC）与氮化硅（SiN）单片结合，实现低损耗、高密度的异构集成平台，在热光调谐效率上提升27倍，兼顾低传输损耗与高集成度，适用于可编程光子学与非线性光学。
2025-07-14 physics.app-ph physics.optics
Scalable and ultralow power silicon photonic two-dimensional phased array
基于光子集成电路的光学相控阵（PIC-OPA）结合了平面光学和自由空间光学的优点，是一种很有前途的可编程处理器和空间光调制器。它们在硅光子平台中的实现特别富有成效。尽管在这一领域取得了很大进展，证明可操纵的二维（2D）OPA可扩展到大量的阵列元件，并与一个单一的波长操作已被证明是一个挑战。此外，在阵列中用于编程远场波束的移相器要么是耗电的，要么具有大的占地面积，从而阻止了大规模2D阵列的实现。在这里，我们展示了一个二维硅光子相控阵高速（~330 KHz）和超低功耗微谐振器移相器与紧凑的半径（~3 μm）和2π相移能力。每个移相器平均消耗约250 μW的静态功率用于谐振对准，消耗约50 μW的功率用于远场波束成形。这样的PIC-OPA设备可以实现新一代紧凑且可扩展的低功率处理器和传感器。
2023-01-23 physics.app-ph physics.optics
Bismuth vanadate layers alternated with nanoparticle-doped silicon dioxide layers for one-dimensional multilayer photonic crystals
本文构建含单斜钒酸铋层、TiO2与Ag纳米颗粒掺杂SiO2层的一维光子晶体，利用传输矩阵法分析层厚和填充因子对透射光谱及光学性质的影响。
2022-06-14 physics.app-ph physics.optics
Quantum Photonics Incorporating Color Centers in Silicon Carbide and Diamond
量子光子学在新型通信和传感技术的发展中起着至关重要的作用。碳化硅和金刚石中的色心提供单光子发射和长相干自旋，可以在量子网络中可扩展地实现。我们开发的系统将这些色心与光子器件相结合，通过电磁定制的光和物质相互作用来修改它们的发射特性。
2018-06-18 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Dual-Polarization Phase Retrieval Receiver in Silicon Photonics
本研究提出一款硅光子双偏振相位恢复接收机，通过设计长延迟硅波导和大色散微环谐振器实现相位恢复算法所需的符号间干扰与色散投影，无需本振或载波即可在80km SSMF上恢复偏振复用的高速调制信号完整场。
2023-10-03 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Transparent conductive oxides and low loss nitride-rich silicon waveguides as building blocks for neuromorphic photonics
提出一种结合低损耗富氮化硅波导与透明导电氧化物的新型光子平台，利用其高非线性与双稳态特性，实现完全兼容CMOS的光子存储器件，以突破电子处理限制并构建超快人工神经网络。
2023-07-31 cs.ET physics.app-ph physics.optics
A silicon photonic add-drop filter for quantum emitters
将单光子源和探测器集成到硅基光子学中，为量子信息处理的复杂电路开辟了可能性。在这项工作中，我们展示了集成的量子点与硅光子分插滤波器的片上滤波和路由的电信单光子。硅微盘谐振器充当窄滤波器，其传输量子点发射并在宽波长范围内过滤背景。此外，通过在微盘的谐振上调谐量子点发射波长，我们可以控制发射的单光子到分插滤波器的通道和通过分插滤波器的通道的传输。这一结果是朝着使用硅光子学在量子信息处理中应用的单光子的片上控制迈出的一步，例如线性光学量子计算和玻色子采样。
2019-03-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Programmable Silicon Photonic Optical Thresholder
我们在实验上展示了一个全光可编程阈值的硅光子电路。利用谐振腔增强马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的非线性特性，提出的光阈值器可以区分两个振幅非常相似的光信号。我们实验实现了信号对比度增强40，这导致误码率（BER）的5个数量级的改善和11 dB的接收机灵敏度的改善。我们提出了我们的设备的阈值功能，并与实验数据验证功能。此外，我们调查潜在的设备速度的改善，通过减少载流子寿命。
2019-07-23 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Implementing photonic-crystal resonator frequency combs in a photonics foundry
本文在AIM Photonics氮化硅代工平台上实现光子晶体谐振腔，获得Q值高达1.2×10^7，并实现OPO宽调谐和孤子微梳，展示了大规模可制造的频率梳光源集成潜力。
2025-01-02 nlin.PS physics.app-ph physics.optics
Hybrid integration of solid-state quantum emitters on a silicon photonic chip
可扩展的量子光子系统需要耦合到集成光子器件的有效单光子源。固态量子发射器可以高效率地产生单光子，而硅光子电路可以在集成器件结构中操纵它们。因此，结合这两种材料平台可以显着增加集成量子光子器件的复杂性。在这里，我们展示了固态量子发射器到硅光子器件的混合集成。我们开发了一种拾放技术，可以定位外延生长的InAs/InP量子点发射在电信波长的硅光子芯片上确定性与纳米级精度。我们采用绝热锥形的方法将量子点的辐射高效率地传输到波导中。我们还采用了一个芯片上的硅光子分束器进行Hanbury-Brown和Twiss测量。我们的方法可以将预先表征的III-V量子光子器件集成到大规模光子结构中，以实现由许多发射器和光子组成的复杂器件。
2017-08-12 physics.app-ph quant-ph
Non-volatile programmable silicon photonics using an ultralow loss Sb$_2$Se$_3$ phase change material
可适应、可重构和可编程是下一代硅基光子处理器、神经网络和量子网络的关键功能。相变技术提供了经验证的非易失性电子可编程性，然而迄今为止使用的材料已经显示出与集成光子平台不兼容的过高的光学损耗。在这里，我们证明了以前未开发的材料Sb $_2$ Se $_3$的超低损耗可编程硅光子的能力。在Sb $_2$ Se $_3$中看到的大折射率对比度和超低损耗的有利组合促进了马赫-曾德尔干涉仪中超过10 $π$弧度的前所未有的光学相位控制。为了证明对光的流动的完全控制，我们引入纳米光子数字图案化作为一种概念上的新方法，其足迹数量级小于最先进的干涉仪网格。我们的方法使大量的可能性，在高密度的硅芯片上的光学功能的重新配置。
2021-01-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Compact and Low-Loss PCM-based Silicon Photonic MZIs for Photonic Neural Networks
本文提出一种基于PCM的优化MZI，具有0.2 dB损耗、-38 dB串扰和52微米长度，显著提升了光子神经网络在损耗和串扰下的可扩展性与精度。
2023-08-18 cs.ET physics.app-ph
Micro-transfer printing of GaSb optoelectronics chips for mid-infrared silicon photonics integrated circuits
首次演示了利用微转移印刷技术将GaSb增益芯片3D集成到硅光子学平台，实现了混合片上外腔激光器，为2-3 μm波段中红外光子集成技术在传感领域的应用奠定基础。
2024-09-20 physics.app-ph
Q factor limitation at short wavelength (around 300 nm) in III-nitride-on-silicon photonic crystal cavities
已经证明了硅上III族氮化物L3光子晶体腔，其谐振波长低至315 nm，在337 nm处的品质因数（Q）高达1085。研究了品质因数随波长的减小而减小的规律。除了低于340 nm的量子阱吸收，一个值得注意的贡献是由于在硅上生长的薄AlN层中存在的残留吸收，通过光谱椭圆偏振法测量。当不存在有源层时，这种残余吸收最终将Q因子限制在300 nm处的2000左右。
2019-04-05 physics.app-ph
Redesigning Photonic Interconnects with Silicon-on-Sapphire Device Platform for Ultra-Low-Energy On-Chip Communication
传统的基于SOI（Silicon-on-Insulator）平台的片上光子互连由于光学非线性引起的组成光子器件的功率约束而具有有限的能量带宽可扩展性。在本文中，我们建议打破这种可扩展性的障碍，使用一种新的硅蓝宝石（SOS）为基础的光子器件平台。我们的物理层表征结果表明，基于SOS的光子器件在4μm附近的中红外区域具有可忽略的光学非线性效应，这大大降低了它们的功率限制。我们的链路级分析表明，基于SOS的光子器件可以用于实现聚合数据速率超过1 Tb/s的光子链路，这是最近被认为是无法实现的基于SOI的光子片上链路。我们还表明，这种高吞吐量的基于SOS的光子链路可以显着提高片上光子通信架构的能源效率。我们的系统级分析结果将基于SOS的光子互连定位为实现超低能量（< 1 pJ/bit）片上数据传输铺平道路。
2020-02-28 cs.ET physics.app-ph
A Silicon Photonic Integrated Frequency-Tunable Microwave Photonic Bandpass Filter
我们报道了一种在硅光子芯片上实现的全集成微波光子带通滤波器。片上集成微波光子滤波器（IMPF）由高速相位调制器（PM）、热可调高Q微盘谐振器（MDR）和高速光电探测器（PD）组成。IMPF的带通滤波功能是基于相位调制和相位调制到强度调制的转换来实现的，以将光学滤波器的光谱响应（其是IMPF中的MDR）转换为微波滤波器的光谱响应。通过将连续光从激光二极管（LD）注入到PM，实现了具有宽调谐范围的通带IMPF。由于MDR的超窄陷波，实现了具有2.3 GHz的3 dB带宽的通带IMPF。通过对MDR进行热调谐，IMPF的中心频率从7 GHz调谐到25 GHz，在1.58 mW的功耗下实现了18 GHz的调谐范围。IMPF的成功实现标志着在单个芯片上完全集成微波光子系统的重要一步，并为微波光子滤波器的实际应用开辟了道路。
2017-06-20 physics.app-ph
Quantum-dot single-photon source on a CMOS silicon photonic chip integrated using transfer printing
硅光子学与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，是实现大规模光子集成电路（PIC）的强大平台。利用硅基PIC进行量子光子信息处理（或所谓的硅量子光子学）为大规模量子应用提供了一条有前途的途径。对于可扩展的硅量子PIC的开发，一个主要的挑战是集成确定性地发射单光子的硅上量子光源。在这方面，使用外延InAs/GaAs量子点（QD）是一个非常有前途的方法，因为它们的确定性单光子发射的能力，具有高纯度和不可扩展性。然而，所需的混合集成是固有的困难，往往缺乏与CMOS工艺的兼容性。在这里，我们展示了一个量子点单光子源（SPS）集成在玻璃包层硅光子波导处理的CMOS代工厂。混合集成使用转印进行，这使我们能够以简单的拾取和放置方式集成异构光学元件，从而在整个CMOS工艺完成后进行组装。我们观察到单光子发射的集成量子点和其有效的耦合到硅波导。我们基于转印的方法与CMOS后端工艺完全兼容，因此将为实现利用CMOS技术的大规模量子PIC提供可能性。
2018-12-31 physics.app-ph quant-ph
Stress measurements in silicon photonics by integrated Raman spectroscopy
光子和电子集成电路的复杂3D集成对于实现光子学路线图和解决挑战特别感兴趣，但涉及机械应力，通常对光学组件的行为有害。现有的实验未能仔细分析这种集成光学器件中的应力，这是由于在特征尺寸、几百纳米和3D堆叠集成方面的要求。我们提出了第一次的表征的应力张量的硅波导使用集成拉曼光谱（IRS）。这种实验技术是直接敏感的有效应力，其中涉及的导模的光学性质的变化，在工作波长和偏振态的光子组件。实验应力张量与模拟结果吻合较好。
2020-12-24 physics.app-ph
Stimulated Raman Scattering in Nonlinear Silicon Nanophotonic Waveguides: Theory and Applications in Photonic Integrated Circuits
本文综述受激拉曼散射的基本理论、在硅基光子集成电路中的应用与增强途径，并梳理近十年关键实验演示，以克服硅间接能带导致的高效光源难题。
2024-12-03 cs.SY eess.SP eess.SY
Non-Hermitian physics and engineering in silicon photonics
硅光子学已被研究为可集成的光学平台，其中许多适用的设备和系统是基于现代物理学和最先进的纳米技术创建的。量子力学的实现已经成为光子结构设计的驱动力，因为光学系统在实现量子概念和现象的模拟方面具有巨大的能力和潜力。非厄米物理突破了传统量子力学基于厄米哈密顿量的范畴，在硅光子学平台上得到了广泛的研究，在光折射率、模式耦合和增益损耗分布设计方面有着广阔的应用前景。正如我们将在本章中讨论的，硅光子学中实现的例外点和宇称时间对称性的非常规性质为超灵敏传感器、激光工程、光传播控制、拓扑模式转换等创造了新的机会。量子非厄米性和经典硅平台之间的联姻不仅激发了对基础物理的大量研究，而且丰富了集成光子系统的潜在功能。
2021-09-30 cs.SY eess.SY physics.app-ph
