Journal Club 2021 | Grupo de estructuras fotónicas de Tanabe

Club de la revista

Por año (abril-diciembre)

EL AÑO FISCAL 2021.

Presentación :

Se investiga numéricamente la generación de cristales de solitones perfectos (PSCs) en microcavidades ópticas subarmónicas de fase modulada. Parte de la componente de frecuencia de la bomba modulada se acopla en la microcavidad a través del efecto vernier entre el modo de la bomba modulada y el modo del resonador, formando ondas periódicas chirriadas para la formación de solitones. Debido a la mayor eficiencia de la bomba, se han demostrado PSCs con 5-20 solitones en resonadores microópticos con FSRs de alrededor de 10 GHz. Además, se demuestra que al eliminar el modulador, se puede reducir la potencia de la bomba manteniendo el estado PSC. El esquema propuesto proporciona un nuevo método para el estudio de la dinámica de los solitones y aumenta el grado de libertad en la aplicación de los mismos.

Presentación :

Los haces de electrones libres son sondas versátiles de la microestructura y la composición. La interacción de los electrones y los fotones ha dado lugar a importantes avances en los métodos de obtención de imágenes y en las técnicas de microscopía 4D durante la última década. Sin embargo, los haces de electrones suelen estar débilmente acoplados a la luz, y se requieren interacciones más fuertes para el control y la detección de electrones.
En este estudio, se utiliza un resonador de modo de galería susurrante para acoplar el haz de electrones libres con el modo del resonador.
De este modo, se consigue ampliar la anchura espectral de los electrones que se propagan hasta 700 electronvoltios.

Presentación :

Los circuitos integrados ópticos han llamado la atención en los últimos años porque son baratos y permiten fabricar elementos ópticos del tamaño de un chip. Entre ellos, los láseres son un elemento importante en los circuitos ópticos integrados y recientemente se han integrado completamente con guías de onda de SiN mediante la integración heterogénea multicapa. Sin embargo, en las longitudes de onda de las telecomunicaciones, donde se concentran las aplicaciones fotónicas, todavía no existen láseres con un alto rendimiento de los dispositivos y una elevada potencia de salida debido a las grandes pérdidas de transición de modo, a los diseños de resonadores no optimizados y a los complejos procesos de fabricación. En este documento, este
Los autores informan de un láser de SiN de alto rendimiento con una potencia de salida de decenas de milivatios y un ancho de línea fundamental por debajo de los kHz a través de una guía de ondas de SiN, resolviendo los problemas descritos en la sección anterior.

Presentación :

Los peines de solitones han llamado la atención como fuente de luz compacta de peines de frecuencia, pero su baja eficiencia de conversión es un problema. En este trabajo se realiza un peine de solitones altamente eficiente y de banda ancha mediante la excitación pulsada de un resonador de nitruro de silicio con baja dispersión. Se aclara cuantitativamente el efecto de la fluctuación de la luz de excitación sobre el peine de solitones.

Presentación :

El artículo muestra que un peine de frecuencias de microcavidades excitadas por un único láser se utiliza para la transmisión de datos a alta velocidad utilizando el esquema IMDD: esquema de modulación NRZ de 30 Gb/s y esquema de modulación PAM4 de 60 Gb/s con una transmisión de datos de 120 Gb/s y 240 Gb/s, respectivamente, a lo largo de 2 km ópticos Las velocidades de transmisión de datos superan las distancias alcanzables, las velocidades de transmisión de datos de una sola vía y las velocidades de transmisión de datos agregadas especificadas en los acuerdos multi-fuente PSM4 (Parallel Single Mode) y CWDM4 (Course Wavelength Division Multiplex). La pérdida de potencia extremadamente baja, de 0,1 dB, en comparación con la caracterización espalda con espalda, también demuestra que la transmisión de datos a alta velocidad mediante un peine de frecuencias con microrresonador compatible con CMOS es una tecnología factible para el sector de los transceptores de centros de datos, tan sensible a los costes y a la energía. La tecnología ha demostrado ser viable en el sector de los transceptores para centros de datos, que es muy sensible a los costes y a la energía.

Presentación :

Las metasuperficies son materiales artificiales compuestos por matrices de sub-longitud de onda nanoestructuradas, que permiten una ingeniería de frente de onda versátil como herramienta de control de fase. En este trabajo se demuestra un novedoso mecanismo de control de fase explotando las características topológicas cerca de la singularidad de las metasuperficies no herméticas.

Presentación :

Se ha demostrado un método de consumo de energía nulo para la sintonización de la frecuencia de resonancia en resonadores de microrresonancia de silicio mediante el uso de chips microfluídicos impresos en 3D directamente superpuestos a un circuito óptico. En los experimentos se utilizaron diferentes concentraciones de soluciones de NaCl, por ejemplo, a concentraciones de NaCl de alrededor de 10%, se lograron desplazamientos de la frecuencia resonante por encima de la región espectral libre.

Presentación :

El control de las propiedades topológicas de los sistemas físicos es fundamental para el desarrollo de dispositivos y tecnologías resistentes a los defectos. Este trabajo propone una plataforma fotónica cuya dinámica fundamental es impulsada y ajustada por la interacción de la topología, la no proximidad y la no linealidad. Se demuestra el control no lineal de la simetría paridad-tiempo y la restauración o destrucción por no linealidad de los estados topológicos no hermitianos utilizando celosías fotónicas con guías de onda escritas por láser de forma continua ("ganancia") o dividida ("pérdida") y acopladas a defectos interfaciales. Estos conceptos pueden aplicarse a una amplia gama de sistemas no hermitianos con ganancias y pérdidas dependientes de la intensidad, abriendo la posibilidad de nuevos enfoques para manipular la luz.

Presentación :

Las redes neuronales ópticas (ONNs) se implementan utilizando interferómetros Mach-Zehnder (MZIs) en cascada y son una alternativa potencial al hardware tradicional de aprendizaje profundo; las ONNs logran una alta eficiencia energética y velocidad computacional en comparación con las redes neuronales eléctricas tradicionales, pero pero requieren una gran huella debido a la MZI. Este trabajo resuelve de nuevo ese problema utilizando un acoplador con simetría de paridad-tiempo en lugar de MZI, y propone la posibilidad de realizar implementaciones de ONN aún más rápidas y de menor energía en comparación con las que utilizan MZI.

Presentación :

Los cur-solitones disipativos, pulsos con bloqueo de modo generados en microcavidades, tienen diversas aplicaciones potenciales en comunicaciones y espectroscopia. Sin embargo, sigue siendo difícil generar el estado de solitón fundamental de forma determinista. En este estudio, mostramos teóricamente que es posible evolucionar de forma determinista no sólo el estado de solitón fundamental, sino también múltiples estados de solitón y estados de cristal de solitón mediante la aplicación continua de disparos de pulsos de alta energía a una bomba externa impulsada por ondas continuas. Este método tiene el potencial de generar solitones "llave en mano", ya que no es necesario escanear la frecuencia de la bomba de onda continua.

Presentación :

Se ha realizado un supercanal de 52 líneas a partir de un microordenador de solitones, logrando eficiencias espectrales tan altas como 10 bit/s/Hz para una transmisión de 80 km y 6 it/s/Hz para una transmisión de 2100 km. Se demostró la viabilidad y las ventajas de generar formas de onda de banda ancha directamente a partir de la salida de un dispositivo a microescala a velocidades de símbolo cercanas a la velocidad de repetición del peine.

Presentación :

En los últimos años, el modelado del frente de onda mediante dispersores ha permitido la manipulación óptica más allá de la óptica convencional, por ejemplo, enfocando sub-longitudes de onda sin aberraciones. Sin embargo, se requiere una medición de entrada-salida del dispersor, y el desafío de la medición es un obstáculo para el uso práctico. El contenido de este artículo supera este reto utilizando metasuperficies aleatorias cuyo diseño se conoce de antemano. Además, mediante el uso de metasuperficies, la obtención de imágenes se amplía a un campo de visión de unos 8 mm con un enfoque de alta apertura.

Presentación :

Se presenta un MEMS óptico basado en resonadores microtoroidales de SiO2. La sintonía rápida de los modos resonantes mediante la "sintonía capacitiva" se logró utilizando un resonador WGM con electrodos estampados. Esta sintonización permite una conversión eficiente de frecuencias de radio a frecuencias ópticas y aplicaciones como los interruptores ópticos.

Presentación :

Las fuentes de luz cuántica, en particular los pares de fotones correlacionados que son indistinguibles en todos los grados de libertad, son fundamentales para la computación y la simulación óptica cuántica. Estas fuentes de luz se han realizado recientemente utilizando la fotónica integrada, pero su dependencia de un único componente, como un resonador de anillo, limita su capacidad para sintonizar la correlación espectral y temporal entre los fotones generados. En este estudio, se realiza una fuente sintonizable de pares de fotones indistinguibles utilizando la mezcla espontánea de cuatro ondas de doble bomba en un sistema topológico que consiste en un resonador de matriz bidimensional. En este estudio, el ancho de banda espectral se sintonizó aprovechando la dispersión lineal de los estados topológicos de borde (en un factor de aproximadamente 3,5) y la interferencia cuántica entre los fotones generados se sintonizó ajustando las dos frecuencias de la bomba. Además, se demostró el entrelazamiento energía-tiempo y se confirmó la solidez topológica de la fuente mediante simulaciones numéricas. Los resultados de este trabajo podrían dar lugar a fuentes de luz cuántica sintonizables y multiplexadas en frecuencia para hacer realidad la tecnología óptica cuántica.

Presentación :

La luz con momento angular orbital espacio-temporal (ST-OAM) es un tipo de campo electromagnético localizado estructurado, recientemente descubierto, con una estructura de fase espiral espacio-temporal y un momento angular orbital intrínseco transversal. En este trabajo se presenta la generación y caracterización del segundo armónico de los pulsos ST-OAM. Los experimentos también sugieren una no linealidad general de la ST-OAM, análoga al momento angular orbital de la luz convencional.

Presentación :

En este estudio se realiza el control no recíproco de cur-solitones disipativos utilizando una microcavidad giratoria. La no reciprocidad en este caso se debe al efecto de arrastre óptico Sagnac-Fizeau, que genera estados de solitón diferentes para la luz que viaja en el sentido de rotación del resonador y la que lo hace en sentido contrario. Este resultado proporciona un camino prometedor hacia los aisladores ópticos basados en solitones y la comunicación unidireccional de solitones.

Presentación :

En este trabajo se estudia teóricamente la generación de pulsos oscuros respiratorios y peines Raman Kerr en microcavidades de silicio bajo la influencia de la dispersión Raman inducida y la dispersión de orden superior. Los pulsos oscuros sólo existen en microcavidades con un FSR relativamente grande comparado con el ancho de línea de ganancia Raman. Los pulsos oscuros inducidos por la dispersión de alto orden dependen principalmente de la amplitud y el signo del coeficiente de dispersión de tercer orden, y sus propiedades también están influidas por el proceso de mezcla de cuatro ondas asistido por Raman. El conocimiento de su existencia ayudará a comprender mejor las inestabilidades asociadas a la formación de peines Raman Kerr en microcavidades que presentan una dispersión normal, y a evitar estas inestabilidades para aplicaciones prácticas. Además, los microcombos MIR de banda ancha generados a través de ondas dispersivas permiten una mayor libertad en la fabricación de resonadores y la adquisición de peines de frecuencia en plataformas donde la dispersión normal es dominante.

Presentación :

El niobato de litio (LN) tiene un gran coeficiente óptico no lineal de segundo y tercer orden y se ha aplicado en varias ocasiones. Sin embargo, la interacción entre el efecto Raman y otros efectos ópticos no lineales en las LNs aún no ha sido bien estudiada. En este trabajo se evalúa el efecto Raman para microcavidades basadas en LN. Se generan Kercombs ópticos por efectos ópticos no lineales y se evalúa la influencia del efecto Raman en la generación de Kercombs ópticos.

Presentación :

Un láser de cristal fotónico (o láser emisor de superficie de cristal fotónico (PCSEL)) con secciones de ganancia y pérdida dispuestas en dos dimensiones, en las que la sección de pérdida está formada por un absorbente saturable, que permite el funcionamiento de impulsos cortos con una elevada potencia de pico (de decenas a cientos de vatios o más) a bajo coste y de forma compacta, lo que resulta difícil con los láseres de semiconductores convencionales. PCSEL)) fue propuesto. Se analizó y diseñó el comportamiento de ganancia y pérdida del PCSEL teniendo en cuenta la interacción entre los portadores y los fotones, y se demostró que la estructura permite un funcionamiento estable y de alta potencia en pulsos cortos en la práctica.

Presentación :

Los solitones de llave, que pueden generar un peine de solitones simplemente aplicando una corriente eléctrica, causaron una gran sensación cuando se publicó en Nature el año pasado. Al acoplar directamente un microrresonador óptico a un láser semiconductor e inducir el bloqueo por autoinyección, el láser se reajusta automáticamente, eliminando la necesidad de complejos mecanismos para controlar la longitud de onda del láser. Al formar el láser semiconductor y el resonador de nitruro de silicio en el mismo sustrato, que antes se formaban en chips separados, el trabajo consiguió integrar aún más el solitón de llave en mano, acercándolo mucho más a la aplicación práctica como fuente de luz de múltiples longitudes de onda.

Presentación :

Los peines de frecuencias ópticas basados en microcavidades WGM tienen un gran potencial para obtener una alta eficiencia espectral y energética en los sistemas de transmisión WDM. Sin embargo, las aplicaciones de comunicación de las microesferas de sílice han sido poco estudiadas. En este trabajo se investiga y optimiza numéricamente un peine de frecuencias ópticas de 200 GHz con microesferas de sílice, y se simula su implementación en un sistema de transmisión WDM de cuatro canales.

Presentación :

El control de la polarización es una tecnología muy importante y tiene muchas aplicaciones posibles. Sin embargo, la óptica de polarización existente sólo puede manipular la polarización en un único plano transversal. En este trabajo se propone una novedosa metasuperficie, que es independiente de la polarización incidente y da una respuesta de polarización arbitraria a lo largo de la dirección de propagación. Esta técnica permite una mayor libertad en el diseño de las metasuperficies y puede ampliar su uso en más situaciones.

Presentación :

La fabricación de dispositivos ópticos con líquidos ha atraído mucha atención como un área de investigación fascinante. El ajuste de la frecuencia de estos dispositivos ópticos mediante el control de la forma reconfigurable se ha considerado difícil debido a las propiedades inherentes de los líquidos. En este trabajo, se fabricó un microláser WGM compuesto enteramente de líquido en la superficie de una solución acuosa mediante un método de chorro de tinta, y se controló la tensión superficial entre la solución acuosa y el microláser WGM utilizando un tensioactivo para sintonizar con éxito la frecuencia del láser manteniendo la geometría reconfigurable. Esta técnica también se utilizó para detectar compuestos orgánicos solubles en agua. Se espera que los resultados se apliquen también a la detección de fluidos y a la biodetección a nivel microscópico.

Presentación :

Los ordenadores cuánticos pueden realizar ciertos cálculos que se consideran demasiado difíciles de manejar para los ordenadores clásicos. El muestreo de bosones es uno de estos cálculos, que en este estudio se realizó introduciendo 50 estados monomodales comprimidos no identificables en un interferómetro de 100 modos de ultrabajas pérdidas con conectividad completa y matriz aleatoria, y muestreándolos mediante 100 detectores monofotónicos de alta eficiencia. La dimensión del espacio de estados de salida es de 10^30 y la velocidad de muestreo es 10^14 más rápida que si se utiliza un superordenador de última generación, con el resultado de que el espacio de estados de salida es de 10^30.

Presentación :

Los sistemas no herméticos con puntos excepcionales (EPO) tienen el potencial de inducir muchos fenómenos peculiares en una variedad de campos, que van desde la fotónica, la acústica, la óptica y la electrónica hasta la física atómica. En este trabajo se presenta un sistema no-Hermite con osciladores paramétricos ópticos (OPOs) acoplados y se destacan sus ventajas respecto a los sistemas no-Hermite convencionales, que dependen de la ganancia y la pérdida del láser. En particular, se muestra la ruptura de la simetría de paridad espectral debido a dos OPOs acoplados y se presenta el PE entre su funcionamiento degenerado y no degenerado.

Presentación :

Se genera un láser Brillouin por dispersión Brillouin inducida en un resonador microóptico, y se genera un solitón Kerr disipativo en el mismo resonador utilizando el láser Brillouin como luz de excitación.
En esta técnica, la luz de entrada está desintonizada en azul con respecto a la frecuencia de resonancia y el láser Brillouin puede generarse desintonizado en rojo, de modo que se puede acceder a un solitón único con un simple barrido de longitud de onda por el piezo láser. Además, debido al ancho de línea ultraestrecho y a las propiedades de bajo ruido del láser Brillouin generado, los solitones observados presentan líneas de peine estrechas y tasas de repetición estables.

Presentación :

En las redes de acceso radioeléctrico de quinta generación (5G) se espera un mejor rendimiento en términos de velocidad de datos, consumo de energía y ancho de banda, y esto no es una excepción para las redes ópticas pasivas (PON) en 5G.
Este estudio demuestra la transmisión simultánea sin errores de señales de datos y de reloj utilizando un peine de frecuencias óptico generado por la conmutación de ganancia de un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL). Está pensado para su aplicación a los sistemas de red óptica pasiva de multiplexación por longitud de onda de próxima generación (WDM-PON). En las futuras WDM-PON, que requieren una mayor capacidad de canal y un estricto control del retardo, los resultados de este estudio sugieren que el peine de frecuencias óptico basado en VCSEL puede utilizarse como fuente de luz que permite realizar redes sencillas y de bajo consumo.

Presentación :

Los cristales de solitones, formados por pulsos de tiempo igualmente espaciados, son un medio eficaz para lograr tasas de repetición ultra elevadas. En este trabajo se investiga la generación de cristales de solitones en presencia de acoplamiento de modos no lineales. Se demuestra que los cristales de solitones perfectos pueden realizarse de forma fiable en condiciones adecuadas de desajuste del vector de onda y de coeficiente de acoplamiento no lineal.

Presentación :

En este estudio, se propone un novedoso enfoque de acoplador de borde de fibra con grandes tamaños de modo para guías de onda de hilo fino fotónico de silicio. La estructura del acoplador de borde es una estructura multiplexada que consiste en múltiples capas de nitruro de silicio incrustadas en un revestimiento superior de SiO2, una guía de ondas curva y dos secciones de convertidor de tamaño de punto (SSC). El acoplador de borde se diseñó para fibras SMF-28 con un diámetro de campo de modo (MFD) de 8,2 µm a una longitud de onda de 1550 nm y una relación de acoplamiento global del 90%.

Nature 591, 54-60 (2021).
J. M. Arrazola, V. Bergholm, K. Brádler, T. R. Bromley, M. J. Collins, I. Dhand, A. Fumagalli, T. Gerrits, A. Goussev, L. G. Helt, J. Hundal, T. Isacsson, R. B. Israel, J. Izaac, S. Jahangiri, R. Janik, N. Killoran, S. P. Kumar, J. Lavoie, A. E. Lita, D. H. Mahler, M. Menotti, B. Morrison, S. W. Nam, L. Neuhaus, H. Y. Qi, N. Quesada, A. Repingon, K. K. Sabapathy, M. Schuld, D. Su, J. Swinarton, A. Száva, K. Tan, P. Tan, V. D. Vaidya, Z. Vernon, Z. Zabaneh & Y. Zhang

Presentación :

El avance hacia la computación cuántica práctica ha llevado a la proliferación de máquinas programables para ejecutar algoritmos cuánticos. Este artículo presenta un sistema que utiliza la tecnología nanofotónica integrada para ejecutar circuitos cuánticos multifotónicos.

Presentación :

Cuando un peine de solitones generado en un microrresonador óptico es detectado por un fotodetector, puede generarse una señal de radiofrecuencia de decenas a cientos de GHz, dependiendo de la velocidad de repetición. Estas señales de RF muestran características de ruido de fase superiores a las de los generadores de señales y, por tanto, se espera que sean una fuente de señales de RF de próxima generación. En este trabajo se aclaran los factores del ruido de fase mediante cálculos numéricos y experimentos empíricos para conseguir un mayor rendimiento.

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Se trata de una serie de conferencias abiertas que se celebran en el Laboratorio de Estructuras Fotónicas de Tanabe. Los estudiantes del nivel de posgrado y superior estudian los trabajos relacionados con la óptica y las tecnologías relacionadas, como la fotónica, los materiales, la biociencia, etc., y los explican de forma fácil de entender.

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La asistencia a las conferencias es gratuita, tanto si se encuentra dentro como fuera del campus. La conferencia se celebrará periódicamente, así que si está interesado en alguno de los temas, no dude en acudir. No es necesario avisar para asistir, pero si se pone en contacto con nosotros con antelación, le prepararemos el material.

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