Journal Club 2021 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

Par année (avril-décembre)

FY2021.

Présentation :

La génération de cristaux de soliton parfaits (PSCs) dans des microcavités pompées optiques subharmoniques à modulation de phase est étudiée numériquement. Une partie de la composante de fréquence de la pompe modulée est couplée dans la microcavité par l'effet vernier entre le mode de la pompe modulée et le mode du résonateur, formant des ondes périodiques chirpées pour la formation de solitons. En raison de l'efficacité accrue de la pompe, des PSCs avec 5-20 solitons ont été démontrés dans des résonateurs micro-optiques avec des FSRs d'environ 10 GHz. En outre, il est démontré qu'en supprimant le modulateur, la puissance de la pompe peut être réduite tout en maintenant l'état PSC. Le schéma proposé fournit une nouvelle méthode pour l'étude de la dynamique des solitons et augmente le degré de liberté dans l'application des solitons.

Présentation :

Les faisceaux d'électrons libres sont des sondes polyvalentes de la microstructure et de la composition. L'interaction des électrons et des photons a permis de développer considérablement les méthodes d'imagerie et les techniques de microscopie 4D au cours de la dernière décennie. Cependant, les faisceaux d'électrons ne sont généralement que faiblement couplés à la lumière, et des interactions plus fortes sont nécessaires pour le contrôle et la détection des électrons.
Dans cette étude, un résonateur en mode galerie de chuchotement est utilisé pour coupler le faisceau d'électrons libres avec le mode du résonateur.
Cela permet d'étendre la largeur spectrale des électrons qui se propagent à 700 électron-volts.

Présentation :

Les circuits intégrés optiques ont attiré l'attention ces dernières années car ils sont peu coûteux et permettent de fabriquer des éléments optiques de la taille d'une puce. Parmi ceux-ci, les lasers sont un élément important des circuits intégrés optiques et ont récemment été entièrement intégrés aux guides d'ondes SiN par intégration hétérogène multicouche. Cependant, aux longueurs d'onde des télécommunications, où se concentrent les applications photoniques, il n'existe pas encore de lasers à haut rendement et à forte puissance de sortie, en raison de pertes importantes dans la transition de mode, de conceptions de résonateurs non optimisées et de procédés de fabrication complexes. Dans ce document, cette
Les auteurs présentent un laser SiN haute performance avec une puissance de sortie de plusieurs dizaines de milliwatts et une largeur de ligne fondamentale inférieure à un kHz via un guide d'ondes SiN, résolvant ainsi les problèmes décrits dans la section précédente.

Présentation :

Les peignes de soliton ont attiré l'attention en tant que source lumineuse compacte à peigne de fréquence optique, mais leur faible efficacité de conversion pose problème. Dans cet article, un peigne de soliton à large bande et très efficace est réalisé par l'excitation pulsée d'un résonateur en nitrure de silicium à faible dispersion. L'effet de la gigue de la lumière d'excitation sur le peigne de soliton est clarifié quantitativement.

Présentation :

L'article montre qu'un peigne de fréquences de microcavités excitées par un seul laser est utilisé pour la transmission de données à haut débit à l'aide du schéma IMDD : schéma de modulation NRZ à 30 Gb/s et schéma de modulation PAM4 à 60 Gb/s avec transmission de données à 120 Gb/s et 240 Gb/s, respectivement, sur 2 km de fibres optiques. Les débits de données dépassent les distances atteignables, les débits de données sur une seule voie et les débits de données agrégés spécifiés dans les accords multi-sources PSM4 (Parallel Single Mode) et CWDM4 (Course Wavelength Division Multiplex). La perte de puissance extrêmement faible de 0,1 dB par rapport à la caractérisation dos à dos montre également que la transmission de données à haut débit à l'aide d'un peigne de fréquence à micro-résonateur compatible CMOS est une technologie réalisable pour l'industrie des émetteurs-récepteurs de centres de données sensibles aux coûts et à la puissance. Cette technologie s'est avérée réalisable dans le secteur des émetteurs-récepteurs de centres de données, sensible aux coûts et à la consommation d'énergie.

Présentation :

Les métasurfaces sont des matériaux artificiels composés de réseaux sub-longueur d'onde nanostructurés, qui permettent une ingénierie polyvalente du front d'onde comme outil de contrôle de la phase. Dans cet article, un nouveau mécanisme de contrôle de phase est démontré en exploitant les caractéristiques topologiques près de la singularité des métasurfaces non hermétiques.

Présentation :

Une méthode à consommation d'énergie nulle pour l'accord de la fréquence de résonance dans les résonateurs à microring en silicium a été démontrée en utilisant des puces microfluidiques imprimées en 3D directement superposées à un circuit optique. Différentes concentrations de solutions aqueuses de NaCl ont été utilisées dans les expériences et des décalages de fréquence de résonance au-dessus de la région spectrale libre ont été obtenus, par exemple, à des concentrations de NaCl d'environ 10%.

Présentation :

Le contrôle des propriétés topologiques des systèmes physiques est fondamental pour le développement de dispositifs et de technologies résistant aux défauts. Cet article propose une plateforme photonique dont la dynamique fondamentale est pilotée et réglée par l'interaction de la topologie, de la non-fermeté et de la non-linéarité. Le contrôle non linéaire de la symétrie parité-temps et la restauration ou la destruction par non-linéarité d'états topologiques non hermitiens sont démontrés en utilisant des réseaux photoniques avec des guides d'ondes écrits au laser de façon continue ('gain') ou divisée ('perte') et couplés à des défauts interfaciaux. Ces concepts peuvent être appliqués à un large éventail de systèmes non hermitiens dont les gains et les pertes dépendent de l'intensité, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles approches pour manipuler la lumière.

Présentation :

Les réseaux neuronaux optiques (ONN) sont mis en œuvre à l'aide d'interféromètres de Mach-Zehnder (MZI) cascadés et constituent une alternative potentielle au matériel d'apprentissage profond traditionnel ; les ONN présentent une efficacité énergétique et une vitesse de calcul élevées par rapport aux réseaux neuronaux électriques traditionnels, mais ils nécessitent un encombrement important en raison du MZI. Les ONN offrent une efficacité énergétique et une vitesse de calcul élevées par rapport aux réseaux neuronaux électriques traditionnels, mais nécessitent un encombrement important en raison des MZI. Cet article résout ce problème en utilisant un coupleur à symétrie parité-temps au lieu du MZI et propose la possibilité d'implémentations ONN encore plus rapides et moins énergivores que celles utilisant le MZI.

Présentation :

Les cur-solitons dissipatifs, impulsions à verrouillage de mode générées dans des microcavités, ont une variété d'applications potentielles dans les communications et la spectroscopie. Cependant, il reste difficile de générer l'état fondamental du soliton de manière déterministe. Dans cette étude, nous montrons théoriquement qu'il est possible de faire évoluer de manière déterministe non seulement l'état de soliton fondamental, mais aussi des états de soliton multiples et des états de cristal de soliton en appliquant continuellement des déclencheurs d'impulsions à haute énergie à une pompe externe à ondes continues. Cette méthode permet de générer des solitons clés en main, car il n'est pas nécessaire de balayer la fréquence de la pompe à ondes continues.

Présentation :

Un supercanal de 52 lignes provenant d'un micro-ordinateur à solitons a été réalisé, atteignant des efficacités spectrales aussi élevées que 10 bits/s/Hz pour une transmission de 80 km et 6 it/s/Hz pour une transmission de 2100 km. La faisabilité et les avantages de la génération de formes d'ondes à large bande directement à partir de la sortie d'un dispositif à micro-échelle à des taux de symboles proches du taux de répétition du peigne ont été démontrés.

Présentation :

Ces dernières années, la modélisation du front d'onde à l'aide de diffuseurs a permis des manipulations optiques allant au-delà de l'optique conventionnelle, par exemple en focalisant des longueurs d'onde inférieures sans aberrations. Cependant, des mesures d'entrée-sortie du diffuseur sont nécessaires, et le défi de la mesure est un obstacle à l'utilisation pratique. Le contenu de cet article permet de surmonter ce problème en utilisant des métasurfaces aléatoires dont la conception est connue à l'avance. En outre, l'utilisation de métasurfaces permet d'étendre l'imagerie à un champ de vision d'environ 8 mm avec un foyer à grande ouverture.

Présentation :

Un MEMS optique basé sur des résonateurs microtoroïdaux en SiO2 est présenté. Un accord rapide des modes résonnants par "accord capacitif" a été obtenu en utilisant un résonateur WGM avec des électrodes à motifs. Cet accord permet une conversion efficace des fréquences radio en fréquences optiques et des applications telles que les commutateurs optiques.

Présentation :

Les sources de lumière quantiques, en particulier les paires de photons corrélés qui sont indiscernables dans tous les degrés de liberté, sont fondamentales pour le calcul et la simulation quantiques optiques. De telles sources de lumière ont récemment été réalisées à l'aide de la photonique intégrée, mais leur dépendance à l'égard d'un seul composant, tel qu'un résonateur en anneau, limite leur capacité à régler la corrélation spectrale et temporelle entre les photons générés. Dans cette étude, une source accordable de paires de photons indiscernables est réalisée en utilisant un mélange à quatre ondes spontané à double pompe dans un système topologique constitué d'un résonateur à réseau bidimensionnel. Dans cette étude, la largeur de bande spectrale a été réglée en exploitant la dispersion linéaire des états de bord topologiques (par un facteur d'environ 3,5) et l'interférence quantique entre les photons générés a été réglée en ajustant les deux fréquences de pompage. En outre, l'intrication énergie-temps a été démontrée et la robustesse topologique de la source a été confirmée à l'aide de simulations numériques. Les résultats de ce travail pourraient conduire à des sources de lumière quantique multiplexées en fréquence accordables pour la réalisation de la technologie quantique optique.

Présentation :

La lumière avec moment angulaire orbital spatio-temporel (ST-OAM) est un type récemment découvert de champ électromagnétique localisé structuré avec une structure de phase en spirale spatio-temporelle et un moment angulaire orbital intrinsèque transversal. Cet article présente la génération et la caractérisation de la seconde harmonique des impulsions ST-OAM. Les expériences suggèrent également une non-linéarité générale du ST-OAM, analogue au moment angulaire orbital de la lumière conventionnelle.

Présentation :

Dans cette étude, le contrôle non-réciproque de cur-solitons dissipatifs est réalisé à l'aide d'une microcavité rotative. La non-réciprocité est due à l'effet de traînée optique Sagnac-Fizeau, qui génère des états de soliton différents pour la lumière voyageant dans le sens de rotation du résonateur et la lumière voyageant dans la direction opposée. Ce résultat ouvre une voie prometteuse vers les isolateurs optiques à base de solitons et la communication unidirectionnelle par solitons.

Présentation :

Dans cet article, la génération d'impulsions sombres respiratoires et de peignes de Kerr Raman dans des microcavités en silicium sous l'influence de la diffusion Raman induite et de la dispersion d'ordre supérieur fait l'objet d'une étude théorique. Les impulsions sombres n'existent que dans les microcavités dont le RSF est relativement grand par rapport à la largeur de raie du gain Raman. Les impulsions sombres induites par la dispersion d'ordre supérieur dépendent principalement de l'amplitude et du signe du coefficient de dispersion d'ordre 3, et leurs propriétés sont également influencées par le processus de mélange à quatre ondes assisté par Raman. La connaissance de leur existence permettra de mieux comprendre les instabilités associées à la formation de peignes de Kerr Raman dans des microcavités présentant une dispersion normale, et d'éviter ces instabilités pour des applications pratiques. En outre, les micropeignes MIR à large bande générés par des ondes dispersives offrent une plus grande liberté dans la fabrication de résonateurs et l'acquisition de peignes de fréquence sur des plates-formes où la dispersion normale est dominante.

Présentation :

Le niobate de lithium (LN) possède un important coefficient optique non linéaire de deuxième et troisième ordre et a été utilisé dans diverses applications. Toutefois, l'interaction entre l'effet Raman et d'autres effets optiques non linéaires dans les LN n'a pas encore été bien étudiée. Dans cet article, l'effet Raman est évalué pour les microcavités à base de LN. Des kercombes optiques générés par des effets optiques non linéaires sont générés et l'influence de l'effet Raman sur la génération de kercombes optiques est évaluée.

Présentation :

Un laser à cristaux photoniques (ou laser à cristaux photoniques émettant par la surface (PCSEL)) avec des sections de gain et de perte disposées en deux dimensions, où la section de perte consiste en un absorbeur saturable, qui permet un fonctionnement à impulsions courtes avec une puissance de crête élevée (des dizaines à des centaines de watts ou plus) à faible coût et de manière compacte, ce qui est difficile à réaliser avec les lasers à semi-conducteurs conventionnels. PCSEL)) a été proposé. Le comportement du gain et de la perte du PCSEL a été analysé et conçu en tenant compte de l'interaction entre les porteurs et les photons, et la structure a été démontrée pour permettre un fonctionnement stable et à haute puissance de crête des impulsions courtes dans la pratique.

Présentation :

Les solitons "clés en main", qui peuvent générer un peigne de solitons simplement en appliquant un courant électrique, ont fait sensation lorsqu'ils ont été publiés dans Nature l'année dernière. En couplant directement un micro-résonateur optique à un laser à semi-conducteur et en induisant un verrouillage par auto-injection, le laser est automatiquement réajusté, ce qui élimine le besoin de mécanismes complexes pour contrôler la longueur d'onde du laser. En formant le laser à semi-conducteur et le résonateur en nitrure de silicium sur le même substrat, alors qu'ils étaient auparavant formés sur des puces séparées, l'article est parvenu à intégrer davantage le soliton clé en main, le rapprochant ainsi d'une application pratique en tant que source de lumière à longueurs d'onde multiples.

Présentation :

Les peignes de fréquence optique basés sur des microcavités WGM ont un grand potentiel pour obtenir un spectre élevé et une efficacité énergétique dans les systèmes de transmission WDM. Cependant, les applications de communication des microsphères de silice ont été peu étudiées. Dans cet article, un peigne de fréquences optiques de 200 GHz avec des microsphères de silice est étudié et optimisé numériquement, et sa mise en œuvre dans un système de transmission WDM à quatre canaux est simulée.

Présentation :

Le contrôle de la polarisation est une technologie très importante qui offre de nombreuses possibilités d'application. Cependant, les optiques de polarisation existantes ne peuvent manipuler la polarisation que dans un seul plan transversal. Cet article propose une nouvelle métasurface qui est indépendante de la polarisation incidente et donne une réponse de polarisation arbitraire le long de la direction de propagation. Cette technique offre une plus grande liberté dans la conception des métasurfaces et peut permettre d'étendre l'utilisation des métasurfaces à d'autres situations.

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La fabrication de dispositifs optiques à l'aide de liquides est un domaine de recherche fascinant qui a attiré beaucoup d'attention. L'accord de fréquence de ces dispositifs optiques par un contrôle de forme reconfigurable a été considéré comme difficile en raison des propriétés inhérentes aux liquides. Dans cet article, un microlaser WGM entièrement composé de liquide à la surface d'une solution aqueuse a été fabriqué à l'aide d'une méthode à jet d'encre, et la tension de surface entre la solution aqueuse et le microlaser WGM a été contrôlée à l'aide d'un agent tensioactif afin d'accorder avec succès la fréquence du laser tout en conservant une géométrie reconfigurable. Cette technique a également été utilisée pour détecter des composés organiques solubles dans l'eau. Les résultats devraient être appliqués à la détection des fluides et à la biodétection au niveau microscopique.

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Les ordinateurs quantiques peuvent effectuer certains calculs considérés comme trop complexes pour les ordinateurs classiques. L'échantillonnage de bosons est l'un de ces calculs qui, dans cette étude, a été réalisé en introduisant 50 états comprimés monomodes non identifiables dans un interféromètre ultrabasse perte à 100 modes avec une connectivité complète et des matrices aléatoires, et en les échantillonnant à l'aide de 100 détecteurs de photons uniques à haute efficacité. La dimension de l'espace d'état de sortie est de 10^30 et le taux d'échantillonnage est 10^14 plus rapide qu'en utilisant un superordinateur de pointe, avec pour résultat que l'espace d'état de sortie est de 10^30.

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Les systèmes non hermétiques avec des points exceptionnels (EPO) ont le potentiel d'induire de nombreux phénomènes particuliers dans divers domaines, allant de la photonique, de l'acoustique, de l'optique et de l'électronique à la physique atomique. Cet article présente un système non hermite avec des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) couplés et met en évidence ses avantages par rapport aux systèmes non hermites conventionnels, qui dépendent du gain et de la perte du laser. En particulier, la rupture de symétrie de parité spectrale due à deux OPO couplés est démontrée et l'EP entre leur fonctionnement dégénéré et non dégénéré est présenté.

Présentation :

Un laser Brillouin est généré par diffusion Brillouin induite dans un résonateur micro-optique, et un soliton Kerr dissipatif est généré dans le même résonateur en utilisant le laser Brillouin comme lumière d'excitation.
Dans cette technique, la lumière d'entrée est désaccordée dans le bleu par rapport à la fréquence de résonance et le laser Brillouin peut être généré dans le rouge, de sorte qu'il est possible d'accéder à un soliton unique par un simple balayage de la longueur d'onde par le laser piézo. En outre, grâce à la largeur de raie ultra-fine et aux propriétés de faible bruit du laser Brillouin généré, les solitons observés présentent des lignes de peigne étroites et des taux de répétition stables.

Présentation :

Les réseaux d'accès radio de cinquième génération (5G) devraient offrir de meilleures performances en termes de débit de données, de consommation d'énergie et de largeur de bande, ce qui n'est pas le cas des réseaux optiques passifs (PON) dans le cadre de la 5G.
Cette étude démontre la transmission simultanée et sans erreur de signaux de données et d'horloge à l'aide d'un peigne de fréquences optiques généré par la commutation de gain d'un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). Elle est destinée à être appliquée aux systèmes de réseaux optiques passifs à multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM-PON) de la prochaine génération. Dans les futurs WDM-PON, qui nécessitent une capacité de canal accrue et un contrôle strict des délais, les résultats de cette étude suggèrent que le peigne de fréquences optiques basé sur un VCSEL peut être utilisé comme source lumineuse permettant de réaliser des réseaux simples et économes en énergie.

Présentation :

Les cristaux de soliton constitués d'impulsions temporelles également espacées constituent un moyen efficace d'atteindre des taux de répétition ultra-élevés. Cet article étudie la génération de cristaux de soliton en présence d'un couplage de mode non linéaire. Il est démontré que des cristaux de soliton parfaits peuvent être réalisés de manière fiable dans des conditions appropriées de désadaptation du vecteur d'onde et de coefficient de couplage non linéaire.

Présentation :

Dans cette étude, une nouvelle approche de coupleur de bord à pointe de fibre avec de grandes tailles de mode est proposée pour les guides d'ondes photoniques à fils minces en silicium. La structure du coupleur de bord est une structure multiplexée composée de plusieurs couches de nitrure de silicium intégrées dans une gaine supérieure en SiO2, d'un guide d'ondes incurvé et de deux sections de convertisseur de taille de spot (SSC). Le coupleur de bord a été conçu pour les fibres SMF-28 avec un diamètre de champ de mode (MFD) de 8,2 µm à une longueur d'onde de 1550 nm et un rapport de couplage global de 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

Présentation :

L'évolution vers l'informatique quantique pratique a conduit à une prolifération de machines programmables pour l'exécution d'algorithmes quantiques. Cet article présente un système qui utilise la technologie nanophotonique intégrée pour exécuter des circuits quantiques multiphotons.

Présentation :

Lorsqu'un peigne de solitons généré sur un micro-résonateur optique est détecté par un photodétecteur, un signal RF de quelques dizaines à quelques centaines de GHz peut être généré, en fonction du taux de répétition. Ces signaux RF présentent des caractéristiques de bruit de phase supérieures à celles des générateurs de signaux et devraient donc constituer une source de signaux RF de la prochaine génération. Dans cet article, les facteurs du bruit de phase sont clarifiés par des calculs numériques et des expériences empiriques afin d'obtenir de meilleures performances.

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Il s'agit d'une série de conférences ouvertes organisées dans le laboratoire de structures photoniques Tanabe. Les étudiants de troisième cycle et plus étudient des articles liés à l'optique et aux technologies connexes, telles que la photonique, les matériaux, les biosciences, etc., et les expliquent de manière simple.

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