Ultrahigh-Efficiency Second Harmonic Generation in a Reverse-Polarization Dual-Layer Crystalline Thin Film Nanophotonic Waveguide
二次谐波产生(SHG)作为最重要的\c{hi}(2)非线性光学过程之一,在各种光学和光子学应用中起着至关重要的作用。设计各种精细的倍频方案实现高效率的倍频已经成为非线性光学领域一个长期而富有挑战性的课题。尽管基于双折射相位匹配和准相位匹配的倍频技术已经取得了许多成功,但到目前为止,用于严格光限制结构中倍频的模式相位匹配(MPM)技术还处于起步阶段。在这里,我们提出了一种新的方案,通过使用纳米光子LiNbO 3薄膜波导由两个键合层与内部反转的偏振,通过MPM实现高效的SHG。在这种双层脊形波导中,当1574.6 nm光激发时,我们观察到787.3 nm的倍频,倍频转换效率为5,540% /W/cm/cm。这一工作推进了我们对模式相位匹配倍频和其他二次光学非线性过程的理解,为在片上平台上开发高性能非线性光子器件提供了额外的策略。
2021-08-31 physics.app-ph physics.optics
Ultrahigh Q SOI Ring Resonator With Strip Waveguide
设计并实现了一种基于条形硅光子波导的大面积、超高Q值、单模工作的硅环形谐振腔,该谐振腔适用于光子陀螺的应用。仿真结果表明,当耦合长度L= 2 μ m,耦合间隙d= 0.2 μ m时,谐振器处于欠耦合状态,谐振深度为0.9979。实验结果表明,所制作的谐振腔的Q值为1.54 × 106,自由光谱范围为0.036nm,谐振深度为0.9810。
2021-03-30 physics.app-ph physics.optics
Spatiotemporally Interleaved Homodyne Photonic Tensor Core
Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学);Hefei National Laboratory(合肥国家实验室)
提出一种基于薄膜铌酸锂平台的时空交错零差光子张量核心,通过集成零差光子矩阵与总线读出时间积分阵列,将光子矩阵运算所需的高速数模和电光转换硬件开销从O(n^2)降至O(n),并采用正交纵横线独立路由数据与权重信号,消除固有光束组合损耗,实现可扩展的高带宽光子处理器。
2026-06-16 physics.app-ph physics.optics
Cavity enhanced terahertz fingerprint detection with ultrahigh sensitivity
我们提出了一种实现超高灵敏度太赫兹指纹检测的新方案。代替在常规透射方案中使用通过裸样品的太赫兹的直接吸收,使用在样品的特征频率处谐振的腔模式,并且由于腔模式透射对材料损耗的高度依赖性,当样品被加载到腔中时观察到放大的透射衰减。此外,该方案保留了物质识别的特点。以一维光子晶体谐振腔为例,对α-乳糖进行了检测,实现了对7 nm α-乳糖的高效检测,其特征频率为0.529THz,相当于自由空间波长的1/80000,灵敏度比常规方法提高了500倍。
2017-06-05 physics.app-ph physics.optics
Ultrahigh-$Q$ on-chip silicon-germanium microresonators
我们展示了全结晶,单模MEMS品质因数集成微谐振器,包括外延生长的硅$_{0.86}$锗$_{0.14}$波导芯与硅包层。这些波导支持与内部$Q >10^8$的谐振,用于两种偏振模式,与现有集成Si光子平台相比,几乎有数量级的改进。对于横向磁(TM)偏振模式,最大$Q$为$1.71\pm0.06 \times 10^8$,对应于$0.39\pm0.02$ dB/m的损耗。再加上硅的强克尔非线性和低损耗的光学,微波和声学制度,我们的研究结果可能会导致硅$_{1-x}$锗$_x$ /硅架构解锁重要的新途径克尔频率梳,光学力学和量子转换。
2021-11-19 physics.app-ph physics.optics
Ultrahigh-efficiency second-harmonic generation in nanophotonic PPLN waveguides
周期性极化铌酸锂(PPLN)波导是高效波长转换的强大平台。然而,由于有限的非线性相互作用强度,传统的PPLN转换器通常需要长的器件长度和高泵浦功率。在这里,我们使用纳米结构的PPLN波导,以证明一个2600%/W-cm $^2$的二次谐波产生的1.5- $μ$ m的辐射,超过20倍,高于国家的最先进的扩散波导的效率。这是通过在4 $μ$ m的一阶极化周期下的亚波长光学限制和高保真周期性极化的组合来实现的。我们的高度集成PPLN波导是有前途的经典和量子光子系统的未来芯片级集成。
2018-09-24 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
Ultrahigh-Q chalcogenide micro-racetrack resonators
本研究利用欧拉曲线设计硫系微跑道谐振器,实现超高Q值、低损耗和非线性,为光子集成提供新平台。
2025-10-09 physics.app-ph physics.optics
Optical vortex-induced forward mass transfer: Manifestation of helical trajectory of optical vortex
光学旋涡场的轨道角动量被发现扭曲高粘度供体材料,以形成微米级的“自旋射流”。这种独特的现象表明了光学涡旋的螺旋轨迹。超越了传统的喷墨和激光诱导的前向传质(LIFT)图案化技术,它还提供了微米级供体材料的“旋转射流”的形成和喷射,即使粘度为4 Pas。这种光学涡旋激光诱导的前向传质(OV-LIFT)图案化技术将使得能够开发下一代印刷光子/电子/自旋电子电路,其由含有功能性纳米颗粒(诸如量子点、金属颗粒和磁性铁氧体颗粒)的高粘度供体点形成,具有高的空间分辨率。它还可能探索一种全新的无针药物注射。
2019-12-09 physics.app-ph physics.optics
High-Q Lithium Niobate Microcavities and Their Applications
铌酸锂(LN)是一种优良的非线性光学和电光材料,在经典非线性光学、光纤通信和量子光子学中有着广泛的应用。在这里,我们回顾了最近的发展,薄膜LN技术,使LN光子器件和微腔的小型化与小品质因数。我们讨论了LN器件的设计原理,利用最大的非线性系数,各种设备的制造方法和由此产生的设备性能,以及LN微腔的当前和潜在的应用。
2020-11-16 physics.app-ph physics.optics
Improving the Sensitivity of Fiber Surface Plasmon Resonance Sensor by Filling Liquid in a Hollow Core Photonic Crystal Fiber
受经典理论的启发,我们提出了通过控制光纤芯模来提高D型光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的性能。为了证明这一点,我们提出了一种新的光纤SPR传感器的基础上,空芯光子晶体光纤与液体混合物填充在核心。光纤传感器的设计涉及一个侧面抛光的光纤与金膜沉积在抛光平面和液体填充。数值模拟结果表明,通过调节液体混合物的折射率,预测的灵敏度将超过6,430 nm/折射率单位的水环境,这是有竞争力的光纤化学传感。这种优化方法可能会导致一个高灵敏度的光纤生物传感器。
2018-05-15 physics.app-ph
Graphene-Based Integrated Photonics For Next-Generation Datacom And Telecom
石墨烯是光电应用的理想材料。它的光子学特性提供了几个优于Si光子学的优点和互补性。例如,石墨烯能够实现电吸收和电折射调制,其中电光折射率变化超过10 $^{-3}$。它可以用于具有电压控制的光分插复用,消除用于微谐振器的热失谐的电流耗散,以及用于基于热电的超快光检测器,其产生电压而不需要跨阻抗放大器。在这里,我们提出了我们对基于石墨烯的集成光子学的愿景。我们回顾了基于石墨烯的收发器,并将其与现有技术进行了比较。策略,提高功耗,可制造性和晶圆级集成解决。我们概述了技术要求的路线图,以满足电信和电信市场的需求。我们表明,基于石墨烯的集成光子学可以实现更高的空间带宽密度,低功耗的板连接和数据中心,接入网络和城市,核心,区域和长途光通信之间的连接。
2019-06-02 physics.app-ph
Automated control strategy for setting and stabilization of photonic circuits
本文提出基于惠斯通电桥的光子电路闭环控制策略,利用光热电阻变化监测光功率并自动调谐马赫-曾德尔干涉仪,输出电压信号,简化电路并降低噪声。
2025-10-26 physics.app-ph physics.optics
High Performance Optical Filters Using Three Waveguide Coupled Sagnac Loop Reflectors
从理论上研究了由三个波导耦合Sagnac环反射器(3 WC-SLR)构成的先进的多功能集成光子滤波器。通过定制相干模干涉,3 WC-SLR谐振器的光谱响应被设计成实现具有高性能的多种滤波功能。这些包括产生高光谱消光比(ER)和斜率的Fano共振的光学类似物,具有高ER和低自由光谱范围的共振模式分裂,以及经典的Butterworth,Bessel,Chebyshev和椭圆滤波器。详细分析了结构参数和制造公差的影响,以促进器件的设计和优化。实际应用的要求也被考虑。这些结果从理论上验证了使用3 WC-SLR谐振器作为多功能集成光子滤波器在不同应用中的灵活频谱工程的有效性。
2021-03-14 physics.app-ph physics.optics
Real-Time Measurements of Photonic Microchips with Femtometer-Scale Spectral Precision and Ultra-High Sensitivity
本文提出扫频光学混频法SOHO,利用扫频激光与定制软件实现PIC实时测量,灵敏度提升30 dB、分辨率提升逾百倍,并验证了飞米级分辨率。
2023-12-08 physics.app-ph physics.optics
Amorphous-silicon visible-light detector integrated in silicon nitride waveguides
可见光集成光子学是一种很有前途的技术,可用于实现传感、量子信息和通信、成像和显示等领域的光学器件。在现有的光子平台中,高折射率对比度氮化硅($Si_{3}N_{4}$)波导在可见光谱范围内提供宽带透明度和高集成度。随着光子集成电路(PIC)复杂性的增加,需要片上检测器来监测其工作点以进行重构和稳定操作。在这项工作中,我们提出了一个紧凑的在线功率监测器集成在$Si_{3}N_{4}$波导,工作在红光波长范围(660 nm)。所提出的设备利用的光电导性的氢化非晶硅(a-Si:H)膜用作光波导的涂层。实验结果表明,该器件的响应率为30 mA/W,灵敏度为-45 dBm,时间响应为亚$μ$ s。这些特征使得所提出的光电导体能够用于可见光$Si_{3}N_{4}$ PIC的高灵敏度监测和控制。
2022-02-09 physics.app-ph physics.optics
Photonic single perceptron at Giga-OP/s speeds with Kerr microcombs for scalable optical neural networks
光学人工神经网络(ONNs)具有超高计算速度和能量效率的巨大潜力。我们报告了一种新的方法,使用集成克尔光学微梳ONNs。这种方法是可编程的和可扩展的,并且能够达到1000 MHz的速度。我们展示了基本的构建块ONNs,一个单神经元感知器,通过将突触映射到49个波长上,以实现每秒11.9 x 109次操作的操作速度,或GigaOPS,每次操作8位,相当于95.2千兆比特/秒(Gbps)。我们测试了感知器的手写数字识别和癌细胞检测,分别达到90%和85%以上的准确率。通过使用现成的电信技术将感知器扩展到深度学习网络,我们可以实现高吞吐量的矩阵乘法运算,以实现实时海量数据处理。
2021-05-12 cs.ET eess.SP physics.app-ph
Ultra-sensitive refractive index gas sensor with functionalized silicon nitride photonic circuits
便携式和具有成本效益的气体传感器在许多环境,生物医学和工业应用中的需求越来越大,但目前的设备仅限于专业实验室,无法扩展到一般用途。在这里,我们展示了一个十亿分之一敏感的折射率气体传感器的光子芯片上的氮化硅波导功能化与介孔二氧化硅的顶部包覆层。低浓度的化学蒸气是通过监测集成马赫-曾德尔干涉仪的输出光谱图案来检测的,该干涉仪具有暴露于气体蒸气的一个涂覆臂。丙酮、异丙醇和乙醇的检出限分别为65 ppb、247 ppb和1.6 ppb。据我们所知,我们的片上折射率传感器基于光子集成电路,可为低气体浓度提供前所未有的灵敏度。因此,我们的研究结果预示着实施紧凑,便携和廉价的设备,用于现场和实时环境监测和医疗诊断。
2020-03-24 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Monolithically integrated, broadband, high-efficiency silicon nitride-on-silicon waveguide photodetectors in a visible-light integrated photonics platform
可见和近红外光谱光子集成电路正迅速成为解决量子信息和生物传感中的缩放挑战的关键技术。到目前为止,该光谱范围内的集成光子平台缺乏集成光电探测器。在这里,我们报告的第一个硅波导氮化硅光电探测器,单片集成在硅上的可见光光子平台。由于漏波硅基氮化硅设计,该器件在$λ$ ~400 nm ~640 nm的记录波长范围内实现了> 60%的高外量子效率,光电带宽高达9 GHz,雪崩增益带宽积高达173 $\pm$ 30 GHz。作为一个例子,光电探测器与波长可调谐微晶体管集成在一个芯片上,用于片上功率监测。
2022-09-21 physics.app-ph physics.optics
Operando Photonic Band Gap Probe of Battery Electrode Materials
提出一种基于光子晶体结构电极的工况光谱方法,利用光子带隙光学响应实时监测锂离子电池TiO2负极在锂化过程中的结构和状态变化,为电极材料研究提供通用分析手段。
2023-06-29 physics.app-ph physics.optics
Carbon dioxide absorption spectroscopy with a mid-infrared silicon photonic waveguide
二氧化碳是地球上生命的重要气体,是人类活动的废物,广泛用于农业和工业。因此,其精确感测是非常感兴趣的。利用CO $_{\mathrm{2}}$的中红外线吸收的光学传感器提供了高选择性,但是它们的大尺寸和高成本限制了它们的使用。在这里,我们展示了CO $_{\mathrm{2}}$气体传感在4.2 $μ$米波长使用集成硅波导,具有44%的自由空间传感的灵敏度CO $_{\mathrm{2}}$。悬浮波导是通过一个单一的光刻步骤的过程中,在绝缘体上的硅衬底上制作的,我们将其路由到一个中红外光子电路的片上参考气体测量。我们的波导具有出色的性能和简单可扩展的制造工艺,非常适合集成在分布式环境监测、人身安全、医疗和大批量消费应用的小型CO $_{\mathrm{2}}$传感器中。
2020-03-16 physics.app-ph physics.optics
Photoconductive Heaters Enable Control of Large-Scale Silicon Photonic Ring Resonator Circuits
许多基于环形谐振器的大规模硅光子系统已经被设想用于从生物医学传感到量子计算和机器学习的应用。然而,由于缺乏用于控制环形谐振器的可扩展解决方案,实际演示仅限于具有几个环的系统。在这里,我们证明,大型系统可以控制只使用掺杂波导元件内的环,同时保持其面积和成本。我们测量波导的大的光电导变化,用于监测环在高动态范围内的谐振条件,并利用其热光效应进行调谐。这使我们能够控制环形谐振器,而不需要额外的组件,复杂的调谐算法,或额外的电气I/O。我们展示了自动谐振对齐的31个环的16 × 16开关和14环耦合谐振器光波导,使它们成为最大的,但最紧凑的,自动控制硅环谐振器电路迄今为止,尽我们所知。
2021-12-09 physics.app-ph physics.optics
Silicon photonic modulator circuit with programmable intensity and phase modulation response
本文提出一种电路级可编程硅光子调制器,可同时实现强度和相位调制,利用载流子耗尽和SiGe电吸收机制,实验证明其控制与优化能力超越传统设计,并支持自校准,适用于光通信、激光雷达等领域。
2025-02-27 physics.app-ph physics.optics
Femtosecond all-optical polarization manipulation of harmonic generation in an anisotropic strongly coupled plasmon-epsilon-near-zero metasurface
Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education and Shaanxi Key Lab of Information Photonic Technique, School of Electronic Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University(教育部光电技术与器件重点实验室、陕西省信息光子技术重点实验室,西安交通大学电子科学与工程学院)
该研究利用ITO薄膜与等离子体共振的强耦合瞬态非线性,实现了紫外至可见光的飞秒偏振操控,同时完成THG与SHG的偏振旋转,为高速偏振光子学提供新范式。
2026-10-15 physics.app-ph physics.optics
Single-Chip Silicon Photonic Processor for Analog Optical and Microwave Signals
本文提出首个基于硅光子电路的全片上信号处理器,可生成、检测并编程模拟光与射频信号,集成调制器、滤波器、探测器及可调激光器,为紧凑微波光子学迈出关键一步。
2023-11-15 physics.app-ph physics.optics