Flexible broadband polarization converter based on metasurfaceat microwave band
提出了一种基于超颖表面的微波宽带线偏振转换器。为了实现带宽扩展特性,长和短的金属弧线,以及放置在接地平面上的金属盘被组合成偏振器,其可以产生三个相邻的谐振。由于前两个共振的组合以及单元晶胞的优化尺寸和厚度,偏振转换器可以具有弱的入射角依赖性。模拟和测量结果表明,在0° ~ 45°的宽入射角范围内,从11.3 ~ 20.2GHz,平均偏振转换比大于85%。此外,所提出的基于柔性衬底的偏振转换器可以应用于共形设计。模拟和实验结果表明,所设计的偏振片即使贴附在凸柱面上也能保持较高的偏振转换效率。所设计的起偏器的周期性金属结构在微波、太赫兹和光学领域具有巨大的潜在应用价值。
2019-05-05 physics.app-ph
Ultra-broadband and compact 2$\times$2 3-dB silicon adiabatic coupler based on supermode-injected adjoint shape optimization
本文提出一种基于b样条和超模注入伴随形状优化的超宽带紧凑型2×2 3-dB硅基绝热耦合器,在30 μm长度内实现530 nm带宽、功率不平衡低于±0.76 dB。
2023-11-28 physics.app-ph physics.optics
A Multifuntional Frequency-selective Polarization Converter for broadband backward-scattering reduction
本文将带通频率选择表面(FSSs)的设计与偏振转换器相结合,实现了一种具有低后向散射的宽带频率选择偏振转换器(FSPC)。数值计算表明,在8.5 ~ 11 GHz范围内,1dB透射窗口的带宽分数为25.6%;在5.6 ~ 15.13 GHz范围内,反射带宽小于-10 dB的带宽分数为92%。该器件可以实现5.66- 6.9GHz和12.8-15.2GHz两个极化转换波段,极化转换比大于90%。此外,通过将所提出的结构布置成棋盘状分布,可以在4至16 GHz的宽频带内降低后向散射能量。仿真结果与实验结果吻合良好,验证了设计策略的正确性.与传统的极化转换设计相比,该设计具有更好的频率选择性,因此可以应用于各种实际场合,例如,作为天线罩,可以高效地传输带内信号,同时保持带外波的低后向散射。
2019-11-22 physics.app-ph
Technologies and novel components for broadband splitting and coupling in pairwise and nulling interferometry
Astrophotonics Australia, Monash(蒙纳士大学天体光子学澳大利亚);Department of Astronomy, California Institute of Technology(加州理工学院天文系);Physics & Astronomy Department, University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校物理与天文系);LIRA, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris(巴黎天文台LIRA实验室,巴黎文理研究大学,法国国家科学研究中心,索邦大学,巴黎大学);Commissariat à l’Energie Atomique, Leti(法国原子能和替代能源委员会LETI实验室);Astralis-AITC, Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University(澳大利亚国立大学天文与天体物理研究学院);Department of Quantum Science, Research School of Physics, Australian National University(澳大利亚国立大学量子科学系,物理研究学院)
研究针对天文干涉测量在J和H波段的宽带分光和耦合问题,提出宽带倏逝三耦合器等组件,利用氮化硅和氧化硅平台及定制锥形组件,实现相关功能并给出实验结果,为未来中红外平台的光束组合器发展奠定基础。
2026-07-28 astro-ph.IM physics.app-ph
Low-loss and broadband non-volatile phase-change directional coupler switches
现场可编程门阵列(FPGA)的光学等效物是大规模光子集成电路的重要组成部分。以前的可编程光子器件依赖于弱的、易失的热光或电光效应,通常具有大的占地面积和高能耗。相变材料(PCM)由于在相变时折射率的大的非挥发性变化而提供了有希望的解决方案。然而,PCM中的大的光损耗造成了严重的问题。在这里,通过利用非对称定向耦合器设计,我们展示了PCM包层硅光子1 \times 2和2 \times 2开关,具有~1 dB的低插入损耗和~30 μm的紧凑耦合长度,同时在30 nm的带宽上保持小于~10 dB的小串扰。所报道的光开关将作为光FPGA中的网格的构建块,用于诸如光互连、神经形态计算、量子计算和微波光子学的应用。
2018-12-25 physics.app-ph physics.optics
Broadband and fabrication-tolerant 3-dB couplers with topological valley edge modes
针对3-dB耦合器带宽有限且对制造误差敏感的问题,提出基于valley-Hall拓扑和镜像对称性的拓扑3-dB耦合器框架,实现48 nm宽带和20 nm误差容差的理想分光,并扩展至稳健的片上拓扑干涉仪设计。
2024-03-25 physics.app-ph physics.optics
Adiabatic following of terahertz surface plasmon-polaritons coupler via two waveguides structure
最近,两篇引人注目的论文[New J. Phys. 21,113004(2019); IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron 27,1(2020)]提出了通过应用相干量子控制的宽带完全转移太赫兹(THz)表面等离子体激元(SPP)波导耦合器-受激拉曼绝热通道(STIRAP)。然而,以前的研究需要三个SPP波导耦合器。本文提出了一种新的宽带全转移太赫兹表面等离子体耦合器的设计,它采用了一种新颖的双波导结构,采用了两态绝热跟随。为了实现这一设计,我们首次在表面等离子体光波导的耦合方程中引入了失谐量。我们相信,这一发现将改善太赫兹通信领域。
2021-05-06 physics.app-ph physics.optics
High-efficiency broadband fiber-to-chip coupler using a 3D nanoprinting microfiber
提出利用3D纳米打印高折射率微光纤连接锥形光纤与倒锥形SiN波导,仿真实现97%耦合效率和768 nm的1-dB带宽。
2023-03-23 physics.app-ph physics.optics
Highly-efficient fiber to Si-waveguide free-form coupler for foundry-scale silicon photonics
本研究利用双光子聚合与基于费马原理的自由形态微光学设计,在220纳米SOI平台上实现SMF-28光纤到硅波导的超高效宽带三维耦合器,耦合损耗0.8分贝,1分贝带宽超180纳米,并具大容差以降低成本。
2023-12-20 physics.app-ph physics.optics
High-efficiency broad-bandwidth sub-wavelength grating based fibre-chip coupler in SOI
本文对均匀基和非均匀基亚波长光栅耦合器的性能进行了全面的研究。给出了耦合效率和带宽增强这两个性能指标以及权衡。我们还提出,设计参数,以实现高效率和宽带操作的基础上,在光栅中的各种损耗机制的详细研究。在详细分析的基础上,设计了1dB带宽为50 nm时效率高达84%,1dB带宽为44 nm时效率高达98%的亚波长光栅耦合器。
2017-09-17 physics.app-ph physics.optics
Ultra-compact low-loss broadband waveguide taper in silicon-on-insulator
提出了一种新型的大带宽、容差、CMOS兼容的紧凑型锥形(15 μ m)的设计,并在绝缘体上硅中进行了实验验证。与1550 nm波段的标准聚焦光栅相比,所提出的用于光斑尺寸转换的锥形以及线性光栅耦合器在耦合效率上没有劣化。单锥形设计具有超过600 nm的宽带操作,可用于O、C和L波段。所提出的紧凑型锥形对制造变化具有高度耐受性;锥形宽度的80 nm变化和端部波导宽度的200 nm变化使锥形传输变化<0.4 dB。该器件的覆盖区(即锥形)以及线性光栅约为250 μm2;这比绝热锥形小20倍,比聚焦光栅耦合器小2倍。
2017-05-04 physics.app-ph physics.optics
Fabrication of a 3D mode size converter for efficient edge coupling in photonic integrated circuits
本文在绝缘体上铌酸锂平台上制备三维模斑转换器,利用硅掩模刻蚀和锥形光刻实现高效边缘耦合,TE和TM模式耦合损耗分别约为1.16 dB/端面和0.71 dB/端面。
2024-11-25 physics.app-ph physics.optics
Broadband silicon polarization beam splitter based on Floquet engineering
Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学);The University of Hong Kong(香港大学);Tsinghua University(清华大学)
本文提出了一种基于Floquet工程的宽带硅极化光束分裂器,通过调节波导宽度实现TE和TM模式的高效分离,实现20分贝以上的极化消光比和低插入损耗。
2026-02-04 physics.app-ph physics.optics
Realization of ultra-broadband IR up-conversion imaging
具有高性能的超宽带成像器件在包括成像、遥感和通信在内的各种技术应用中有着巨大的需求。基于p-GaAs同质结界面功函数内光电发射探测器-发光二极管(LED)器件实现了一种超宽带上变频器。该器件表现出从可见光到太赫兹(THz)的超宽响应,具有良好的再现性。在中红外(MIR)区域中的峰值响应度在10.5微米处为140 mA/W。HIWIP-LED显示出覆盖所有红外大气窗口以及THz区域的超宽带上转换的巨大潜力,并且进一步证明了CO2激光器的MIR光斑的无像素成像。此外,建议的上变频器还执行作为一个近红外和可见光探测器在零偏下,通过使用一个双功能LED。由于其超宽响应,HIWIP-LED上变频器在稳定、高性能的超宽带无像素成像和多功能分析系统中具有很大的潜力。
2022-05-24 physics.app-ph physics.optics
Ultra-compact broadband spot size converter using metamaterial cell-based inverse design
本文提出一种结合逆向设计与亚波长超材料单元拓扑的设计方法,显著减小参数空间,并实验展示了一款长度仅7微米、扩展比24倍、带宽160纳米、插入损耗0.8分贝的超紧凑光斑尺寸转换器,大幅超越现有技术。
2025-06-23 physics.app-ph physics.optics
Curved GaAs cantilever waveguides for the vertical coupling to photonic integrated circuits
本文报道了基于弯曲砷化镓悬臂波导的光斑尺寸转换器,利用应力失配实现可控面外弯曲并锁定90°垂直取向,在200纳米带宽内实现宽带芯片到光纤耦合,兼容量子光子集成电路。
2023-11-10 physics.app-ph physics.optics
Robust Characterization of Integrated Photonics Directional Couplers
针对定向耦合器表征受光纤-波导耦合影响的问题,提出一种鲁棒的直接测量技术,绕过消光比测量,实现宽带精确分光比表征,并推广至任意2x2酉电路。
2024-12-16 physics.app-ph physics.optics
Analog-to-digital conversion revolutionized by deep learning
作为模拟世界和数字计算机之间的桥梁,模数转换器通常用于现代信息系统,如雷达,监视和通信。对于未来高频宽带系统中模数转换器的配置,我们介绍了一种革命性的架构,该架构采用深度学习技术来克服带宽、采样率和精度之间的权衡。光子前端提供用于直接采样和速度倍增的宽带能力。经过训练的深度神经网络学习系统缺陷的模式,以简洁和自适应的方式保持量化数据的高准确性。基于数值和实验演示,我们表明,所提出的架构优于国家的最先进的模数转换器,确认我们的方法在未来的模数转换器的设计和性能增强的未来信息系统的潜力。
2018-10-21 eess.SP physics.app-ph
Microwave Q-band oscillator at 49GHz for broadband frequency conversion based on a Kerr optical soliton crystal micro-comb
报道了一种基于集成微环谐振器产生的相干克尔光微梳的宽带微波频率转换器。相干微梳显示与孤子晶体动力学一致的功能,FSR为48.9GHz。我们使用它来演示一个高性能的毫米波本振器在48.9GHz的Q波段的微波频率转换。实验结果表明,在40 GHz频率范围内,输出射频功率与中频功率之比为6.8 dB,杂散抑制比大于43.5 dB。实验结果与理论结果吻合良好,验证了基于相干光微梳的微波频率转换器的有效性,并具有减小尺寸、降低复杂度和潜在成本的能力。
2019-07-22 physics.app-ph physics.optics
Broadband, electrically tuneable, third harmonic generation in graphene
当高强度光($>10^{10}$ W/m $^{2}$)与非线性材料相互作用时发生光学谐波产生。非线性光学响应的电气控制使门可调开关和频率转换器等应用成为可能。石墨烯显示出非常强的光物质相互作用和电和宽带可调的三阶非线性极化率。在这里,我们表明,在石墨烯的三次谐波产生效率可以调整超过两个数量级,通过控制费米能量和入射光子能量。这是由于多光子跃迁引起的非线性电导率虚部的对数共振。由于无质量狄拉克费米子的线性色散,可以实现超宽带电可调谐性,从而为用于光通信和信号处理的电可调谐宽带频率转换器铺平了道路。
2017-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A fast and large bandwidth superconducting variable coupler
可变微波频率耦合器是经典通信系统中非常有用的组件,并且可能在量子通信应用中发挥重要作用。传统的基于超导体的微波耦合器已经与超导量子线路一起使用,使得例如能够经由公共读出链对多个设备进行原位测量。然而,半导体元件是有损耗的,并且在切换时消耗能量,使得它们不适合于需要快速、重复切换的低温应用。基于超导约瑟夫森结的耦合器可以被设计为具有快速开关的无耗散操作,并且容易与超导量子线路集成。这些使芯片上,量子相干路由的微波光子,提供了一个有吸引力的替代半导体开关。在这里,我们提出并表征了一种基于芯片的宽带微波可变耦合器,可调谐频率超过4-8 GHz,超过1.5 GHz的瞬时带宽,基于超导量子干涉器件(SQUID)与两个平行的约瑟夫森结。该耦合器无损耗,开关比大于40 dB,耦合变化时间约为10 ns。这里提出的简单设计可以很容易地与超导量子位电路集成,并且可以很容易地推广到实现四端口或更多端口的设备。
2020-11-18 cond-mat.supr-con physics.app-ph quant-ph
Inverse-Designed Grating Couplers with Tunable Wavelength via Scaling and Biasing
Technical University of Munich(慕尼黑工业大学);Walter Schottky Institute, Technical University of Munich(瓦尔特·肖特基研究所,慕尼黑工业大学)
针对光子集成电路中经典光栅耦合器带宽窄的问题,提出紧凑型逆向设计光栅耦合器,通过系统性缩放和边缘偏置补偿制造偏差,使目标波长效率提升八倍,支持晶圆级测试与波长调谐。
2025-10-31 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Graded Index Couplers for Next Generation Chip-to-Chip and Fiber-to-Chip Photonic Packaging
本文提出一种结合渐变折射率耦合器与倏逝波耦合器的垂直耦合方案,用于共同封装光学系统,实现低损耗、宽带和自动无源组装,模拟显示耦合损耗低于0.27 dB,对准容差和带宽性能优异。
2025-02-28 physics.app-ph physics.optics
Wide-scanning Circularly Polarized Reflector-based Modulated Metasurface Antenna Enabled by a Broadband Polarizer
本文提出了一种具有频率扫描功能的圆极化漏波天线。其主要目标是实现高增益和偏振纯度,而无需复杂的馈电网络。该天线由两个独立模块组成:(1)各向异性调制超颖表面天线(MoMetA),用于产生垂直极化辐射,工作扫描范围为19至47度仰角;(2)具有高角度稳定性的宽带极化转换器,能够将垂直线极化转换为圆极化(CP)。该天线采用孔径场估计方法设计,无需全波仿真就能高精度地预测远场方向图。天线在16 ~ 21 GHz带宽内的增益优于18 dBi。仿真结果表明,在整个工作频带内,最大增益方向的轴比均小于3dB,说明该偏振器工作正常。为了验证仿真结果,制作了一个天线样机,并在电波暗室中测量了其辐射方向图
2020-07-20 physics.app-ph
Ultra-Broadband plug-and-play photonic circuit packaging with sub-dB loss
本研究提出一种基于双光子聚合3D打印和母头多光纤推入式电缆的即插即用光纤到芯片封装方案,实现亚分贝损耗和超宽带耦合,创下无源封装纪录,支持高速低噪声光子计算。
2025-05-27 physics.app-ph physics.optics
Photonic integrated circuit with multiple waveguide layers for broadband high-efficient on-chip 3-D optical phased arrays in light detection and ranging applications
传统的光子集成电路(PIC)继承了电子集成电路(IC)行业成熟的CMOS制造工艺。然而,该过程也将PIC结构限制为单波导层配置。在这项工作中,我们探索了多波导层PIC的可能性,提出并演示了一个真正的3-D光学相控阵列(OPA)设备,从设备的边缘出射的光,基于多层Si 3 N4/SiO2平台。多波导层配置提供了在输入端和发射端利用边缘耦合器以实现宽带高效率的可能性。这种独特性为激光雷达应用中更广泛的检测范围提供了可能性。该设备已通过数值模拟进行了研究,概念验证的样品已经制造和测试与CMOS兼容的过程。据我们所知,这是第一个实验证明的概念,一个真正的3-D OPA与多波导层配置整个设备。
2022-08-21 physics.app-ph physics.optics
Add drop multiplexers for terahertz communications using two-wire waveguide based plasmonic circuits
太赫兹(THz)频段被认为是无线通信的下一个前沿。新兴的太赫兹复用技术有望大大提高太赫兹通信的信息容量,远远超过单信道的限制。在这项工作中,我们探讨了太赫兹频分复用模式,使新的分插复用器(ADM)的设计。基于使用增材制造和金属化技术制造的模块化双线等离子体激元波导,我们展示了包含光栅加载侧耦合器的四端口THz ADM,其工作在~140 GHz载波频率。特别注意的是等离子体波导布拉格光栅和定向耦合器的设计能够分裂宽带太赫兹光在光谱和空间域,分别。最后,我们演示了太赫兹信号的复用和解复用,比特率高达6 Gbps,使用开发的ADM。我们相信,提出的等离子体电路具有强大的潜力,为即将到来的太赫兹通信中的模拟信号处理提供强大的集成解决方案。
2021-07-02 physics.app-ph physics.optics
Edge-plasmon assisted electro-optical modulator
一个有效的电-光调制已被证明在这里通过使用特定的混合等离子体波导的边缘等离子体模式。我们的方法解决了集成微波光子学的一个主要障碍所造成的偏振约束的有源和无源组件。除了表面等离子体激元典型的亚波长限制之外,边缘等离子体激元模式使得能够精确匹配基于硅的输入/输出光栅耦合器、波导和电-光调制器的偏振要求。以类波导结构实现的混合波导的概念意味着传播等离子体激元模式与波导模式的耦合。垂直布置的夹层包括ε近零材料(氧化铟锡)的薄层,其在小长度尺度下提供有效调制。所采用的边缘等离子体激元具有混合偏振态,并且可以用水平偏振波导模式激发。它允许所得到的调制器直接与高效的光栅耦合器一起工作,并避免使用笨重和有损耗的偏振转换器。基于麦克斯韦方程组和漂移扩散半导体方程建立了一个三维光学模型。已经进行了涉及材料和几何形状优化的大量数值计算。计算和分析了有效模、稳态场分布、消光系数、光损耗和电荷输运特性。除了偏振匹配,所提出的模型的优点包括硅波导的紧凑的平面几何形状,减少有源电阻R和一个相对简单的设计,有吸引力的实验实现。
2020-01-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Two-Stage Lithium Niobate Nonlinear Photonic Circuits for Low-Crosstalk and Broadband All Optical Wavelength Conversion
针对现有单阶段全光波长转换器串扰高的问题,提出集成二次谐波模块、转换模块及泵浦滤波器的两阶段TF-PPLN光子电路,实现25dB以上边道抑制比、110nm带宽与-15.6dB效率,适用于经典与量子光子系统。
2025-08-03 physics.app-ph physics.optics
Ultra-compact and efficient integrated multichannel mode multiplexer in silicon for few-mode fibers
本研究针对空分复用光纤通信对紧凑模式复用器的需求,提出一种含二维多模光栅耦合器等结构的硅基集成少模光纤模式复用器,可支持8个通道,耦合效率高、尺寸极小,适用于未来高密度集成光子电路。
2023-11-07 physics.app-ph physics.optics
Dual-Polarization Bandwidth-Bridged On-Chip Bandpass Sampling Fourier Transform Spectrometer from Visible to Near-Infrared
小型化生物传感和生物成像应用对覆盖整个组织透明窗口(λ=650-1050 nm)的高分辨率片上宽带光谱仪提出了很高的要求。在这里,我们提出了一种新型的空间外差傅里叶变换光谱仪(SHFTS)与亚波长光栅耦合器(SWGC)集成的双偏振带通采样的氮化硅平台上。通过调节不同偏振态的耦合角,实验证明了前所未有的宽带光谱恢复结果,总带宽覆盖400 nm,桥接650 nm到1050 nm的波长,分辨率为2-5 nm。通过应用带通采样定理,我们规避了固有的带宽和分辨率之间的权衡限制SHFTS没有一个离谱的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)阵列的数量或添加额外的有源元件。带通采样SHFTS设计为具有线性不平衡的32 MZI,在4.7 mm x 0.65 mm的总占地面积尺寸内的最大光程长度差为93 μm,SWGC的耦合角在0°至32°之间变化,以覆盖整个组织透明窗口。
2021-12-13 physics.app-ph physics.ins-det 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
Intelligent Radome Design Using Multilayer Metamaterial Structures to Realize Energy Isolation and Asymmetric Propagation of Electromagnetic Wave
提出并研究了一种基于复合超材料结构的智能天线罩,通过控制PIN二极管的状态,自适应地实现能量隔离和电磁波的非对称传播。整个结构主要由宽带偏振敏感偏振转换器(PC)和作为能量选择表面(ESS)的在透射模式和吸收模式之间切换的有源频率选择性激光吸收器(AFSR)组成。其中,PC的作用是使EM波非对称传输,AFSR的目的是使高功率波被反射或吸收,这取决于波的偏振类型。因此,天线罩既能实现电磁波的非对称传播,又能实现电磁屏蔽。等效电路模型(ECM)和参数的研究被认为是解释物理工作机制的PC和AFSR。实验验证了7 × 7单胞结构的制作,测量结果与模拟结果吻合较好。考虑到自驱动的独特特性,该概念在电磁隐身和高电磁波屏蔽方面具有潜在的应用前景,以保护通信设备。
2020-03-05 physics.app-ph
Implementation of on-chip multi-channel focusing wavelength demultiplexing with regularized digital metamaterials
绝热波导锥和片上波分复用器是光子集成电路的关键器件。然而,这两类器件采用传统的半解析法或蛮力搜索法设计,往往尺寸较大。在这里,基于正则化的数字超材料,我们已经设计,制造和表征了一个双通道聚焦波长解复用器的足迹为2.4 × 10微米2。所设计的解复用器可以在不需要绝热波导锥的情况下直接与光栅耦合器相连。采用目标优先法和改进的最速下降法设计了一种将1520 nm和1580 nm的光从10 um宽的输入波导分束到两个0.48 um宽的输出波导的解复用器。实验结果表明,该解复用器上(下)通道的插入损耗为-1.77dB(-2.10dB),串扰为-25.17dB(-12.14dB)。此外,模拟结果还表明,器件的刻蚀深度容差可达20 nm,平面尺寸变化容差可达10 nm。受益于我们设计方法的可扩展性,我们可以设计其他类型的超紧凑型“聚焦”器件,如模式分离器,模式转换器和功率分配器,我们也可以设计具有更复杂功能的器件,例如,我们设计了一个三通道聚焦波长解复用器。
2019-08-10 physics.app-ph physics.optics
Additive 3D photonic integration that is CMOS compatible
本文综述利用标准光刻胶的单/双光子聚合与直接激光写入,在半导体样品上增材制造三维低损耗光子波导和耦合器,并验证其 CMOS 兼容性。
2023-01-03 physics.app-ph physics.optics