Journal Club 2019 | Gruppo di struttura fotonica Tanabe

Club del giornale

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ESERCIZIO 2019

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La generazione di solitoni mediante fibre e micro-risonatori ottici è utilizzata in un'ampia gamma di campi. Tuttavia, quando si utilizza una sorgente luminosa esterna, permangono problemi in termini di coerenza, controllo della spaziatura dei modi e funzionamento a lungo termine. In questo studio, l'effetto ottico Kerr viene generato utilizzando lo scattering Brillouin nel risonatore. Con questa tecnica, la frequenza di ripetizione può essere variata da GHz a THz senza modificare la lunghezza del risonatore.

Laser & Photonics Review 13(2) - Gennaio 2019
Zachary L. Newman, Vincent Maurice, Tara Drake, Jordan R. Stone, Travis C. Briles, Daryl T. Spencer, Connor Fredrick, Qing Li, Daron Westly, B. R. Ilic,. Boqiang Shen, Myoung-Gyun Suh, Ki Youl Yang, Cort Johnson, David M. S. Johnson, Leo Hollberg, Kerry J. Vahala, Kartik Srinivasan, Scott A. Diddams, John Kitching, Scott B. Papp e Matthew T. Hummon

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Negli ultimi anni gli orologi atomici ottici hanno raggiunto una precisione ultraelevata di oltre 18 ordini di grandezza, ma le loro grandi dimensioni e l'uso di imballaggi sfusi ne hanno impedito l'applicazione diffusa. In questo studio, un orologio atomico ottico con una stabilità prossima a 10^-13 è stato fabbricato con successo utilizzando due micro risonatori ottici di nitruro di silicio e silice, un pettine a blocco di frequenza per generare un segnale di clock e per dividere la frequenza di transizione ottica in una cella di vapore di Rb.

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Un metodo fattibile per integrare diversi dispositivi fotonici in silicio (Si) con lunghezze d'onda operative separate da diverse centinaia di nanometri su un singolo Questo lavoro dimostra l'integrazione di due dispositivi fotonici a cristallo Questo lavoro dimostra l'integrazione di due dispositivi a nanocavità di cristallo fotonico che presentano fattori di qualità (Q) elevatissimi e operano nelle bande di 1,31 e 1,55 µm. I due modelli di nanocavità sono stati deﬁniti mediante litograﬁa a fascio di elettroni sulle regioni spesse e sottili del substrato. Tutte le dimensioni della nanocavità da 1,31 µm fabbricata sono [1]15,5% più piccole (1 Tutte le dimensioni della nanocavità da 1,31 µm fabbricata sono [1]15,5% più piccole (1,31/1,55) di quelle della nanocavità da 1,55 µm; possono quindi essere trattate con lo stesso diagramma a bande fotoniche. presentano un Q ultraelevato > 2,0×106 e consentono la fabbricazione di laser Raman basati su nanocavità per le bande 1,31/1,55-µm con una soglia inferiore al microwatt.

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Il DP-MZI è stato proposto come metodo per integrare le funzioni principali di un pettine di frequenza ottico a microcavità in un unico dispositivo.
Oltre a generare DKS stabili, questo approccio consente di controllare fceo e frep.
Gli esperimenti analizzano gli effetti della modulazione della frequenza e della potenza della pompa tramite DP-MZI su fceo e frep, seguiti da una dimostrazione della stabilità a lungo termine dei pettini di solitoni del micro-risonatore.
Inoltre, facendo riferimento alla fibra tramite TWDI, il jitter temporale del soliton com viene soppresso in modo significativo.

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Gli impulsi ultracorti dei laser a fibra sono ampiamente utilizzati nella ricerca e nell'industria. Sebbene presentino molti vantaggi, come la compattezza e il basso costo, il confinamento degli impulsi ad alta intensità nelle fibre genera effetti non lineari indesiderati. In questo caso, è stato fabbricato un amplificatore basato su un laser a fibra che sfrutta tali effetti non lineari. L'amplificazione risulta in uno spettro con una larghezza di banda più ampia della larghezza di banda del guadagno e una larghezza d'impulso di circa 30 fs.

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La spettroscopia ottica è una tecnologia importante che consente l'analisi ottica in diverse discipline e aree di ricerca. Con la crescente richiesta di miniaturizzazione e di una maggiore risoluzione dei dispositivi, il raggiungimento di entrambe le esigenze ha rappresentato una sfida. In questo studio, uno spettrometro a trasformata di Fourier è stato fabbricato utilizzando una struttura a guida d'onda basata su LN-SiN come materiale, ed è stata verificata una struttura spettrometrica compatta e ad alta risoluzione nell'ampia gamma di lunghezze d'onda di 500 nm nella regione NIR.

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La realizzazione di un forte accoppiamento tra fononi ad alta frequenza e luce mediante risonatori può essere utilizzata per il trasferimento di stati quantistici, la memoria quantistica. Si dice che sia applicabile al trasferimento di stati quantistici, alla memoria quantistica, alle trasformazioni quantistiche, ecc. Inoltre, è anche un campo di interesse per la ricerca fisica fondamentale. Tuttavia, è stato difficile ottenere uno stato fortemente accoppiato nei risonatori con modi di vibrazione di opportunità superiori al GHz.
In questo contesto, il presente studio riporta il primo forte accoppiamento tra luce e fononi a radiofrequenza utilizzando lo scattering Brillouin e risonatori ad asta di silice a 11 GHz.

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In questo lavoro abbiamo proposto una struttura per realizzare un multiplexer digitale completamente ottico, con due ingressi, una porta di controllo e una di uscita. Utilizzando la porta di controllo, si può decidere quale porta di ingresso può essere collegata alla porta di uscita. La struttura proposta consisteva in due risonatori ad anello in cristallo fotonico non lineare, a forma di L e di T, e in una guida d'onda diritta. L'ingombro totale e il tempo di ritardo massimo della struttura proposta erano rispettivamente di 479 um^2 e 3 ps.

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I solitoni di Kerr dissipativi (DKS) sono treni di impulsi prodotti da effetti ottici non lineari in micro risonatori ottici, compatibili con l'ottica non lineare e le tecnologie di integrazione ottica. I cristalli di solitoni, un tipo di DKS, sono stati solitari prodotti dalla generazione di spettri a pettine a intervalli multipli di fsr, ma la loro dinamica non è nota nel dettaglio. La dinamica dei cristalli di solitoni non è stata conosciuta in dettaglio. In questo studio, la regione stabile del cristallo di solitoni viene ricavata risolvendo il LLE e i cambiamenti nello stato del cristallo di solitoni sono verificati variando il detuning e la potenza della luce di pompa. Si prevede che i risultati saranno applicati alla generazione di solitoni singoli stabili.

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Le fibre ottiche di silice sono indispensabili nelle reti internazionali di telecomunicazioni e IoT grazie alla loro ubiquità e alla bassa perdita. In questo studio, per la prima volta sono state fabbricate fibre ottiche di silice monomodali e multimodali mediante stampa 3D. Questo metodo consente di progettare fibre con geometrie che non sono possibili con i metodi convenzionali di fabbricazione delle fibre ottiche.

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Il presente lavoro illustra il filtraggio non lineare di treni di impulsi ottici basato su solitoni Kerr dissipativi nel tempo in microcavità. I risultati sperimentali, combinati con l'analisi e la modellazione numerica, mostrano che la dinamica dei solitoni può immagazzinare informazioni sullo stato fisico del sistema più a lungo del tempo di conservazione dell'energia della cavità, consentendo così di ottenere larghezze di filtro che possono essere di un ordine di grandezza superiore alla larghezza di linea intrinseca della cavità. Può produrre. Questo tipo di filtraggio ottico non lineare ha applicazioni immediate nella metrologia ottica e nella generazione di impulsi ottici ultracorti con basso jitter temporale, aprendo potenzialmente nuove strade nella fotonica a microonde.

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L'ampiezza dell'impulso nei laser a stato solido a impulsi ultracorti è limitata dalla larghezza di banda di oscillazione del cristallo laser. Per questo motivo, da circa mezzo secolo si cerca di espandere la larghezza di banda di oscillazione del guadagno.
Qui riportiamo un nuovo metodo di ampliamento spettrale che utilizza lo scattering Raman indotto e che accorcia significativamente la larghezza dell'impulso. Il metodo di pompaggio sincrono è generalmente utilizzato per l'allargamento dello spettro utilizzando lo scattering Raman indotto. In questo studio, l'ampliamento spettrale è ottenuto utilizzando gli spettri sia della sorgente di luce pulsata sia dello scattering Raman. Il laser è un laser sincrono a modalità lente di Kerr che utilizza Yb:CALGO come cristallo laser e la larghezza dell'impulso è stata ridotta a 1/3 (22 fs) come risultato dell'ampliamento dello spettro.

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I laser casuali hanno tradizionalmente attirato l'attenzione in quanto dispositivi che possono essere utilizzati senza utilizzare una struttura a risonatore. Tuttavia, a causa delle caratteristiche dell'utilizzo della casualità, è difficile prevedere e controllare le caratteristiche del dispositivo. In questo studio è stato verificato che, controllando la casualità della struttura del cristallo fotonico, è possibile controllare varie proprietà del laser, tra cui la lunghezza d'onda di oscillazione e il numero di modi.

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I circuiti ottici integrati su larga scala saranno di grande importanza anche per la comunicazione di informazioni quantistiche. Tuttavia, la fotonica del silicio e le sorgenti di fotoni singoli sono state spesso studiate in modo indipendente. Il motivo è la differenza di materiali: le sorgenti di fotoni singoli non possono essere realizzate con i materiali comunemente utilizzati nella fotonica al silicio e sono inevitabilmente necessari materiali diversi.
Pertanto, in questa presentazione, verrà descritto il metodo adottato da questo gruppo di ricerca e i suoi vantaggi, introducendo studi precedenti che combinano la fotonica del silicio e le sorgenti a singolo fotone.

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Abstract: I processi parametrici ottici consentono di generare radiazioni elettromagnetiche coerenti a nuove lunghezze d'onda. Ciò consente la modulazione della lunghezza d'onda su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, che si prevede troverà applicazione in una varietà di applicazioni che vanno dalla spettroscopia all'elaborazione dell'informazione quantistica. Tuttavia, le sorgenti di luce parametrica sintonizzabile esistenti presentano degli inconvenienti che ne limitano l'applicazione. In questo lavoro, le limitazioni sono state superate utilizzando risonatori micro-ottici cristallini al fluoruro di magnesio con valori Q elevatissimi per fabbricare dispositivi compatti ed efficienti dal punto di vista energetico in grado di generare un'ampia gamma di bande di onde laterali modulabili. Sono stati studiati diversi risonatori con profili di dispersione progettati con precisione e per ogni risonatore sono state ottenute bande d'onda laterali modulabili di diverse centinaia di nanometri. Oltre a osservare la modulabilità nelle ottave ottiche da 1.083 nm a 2.670 nm, è stata misurata una banda laterale nel medio infrarosso a 4.000 nm. Il dispositivo dimostrato dovrebbe fornire una sorgente di luce a basso costo che può essere modulata su un'ampia gamma.

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I modulatori ottici dovrebbero essere idealmente caratterizzati da bassa perdita, bassa tensione di pilotaggio, ampia larghezza di banda, elevata linearità, ingombro ridotto e bassi costi di produzione. Purtroppo, finora è stato difficile ottenere molti di questi indici contemporaneamente.
In questo studio, sulla base di una piattaforma ibrida integrata di silicio e niobato di litio, sono stati fabbricati modulatori Mach-Zehnder in grado di soddisfare simultaneamente i suddetti indicatori.
La valutazione delle prestazioni ha dimostrato che il dispositivo proposto presenta una perdita di inserzione di 2,5 dB, un prodotto tensione-lunghezza di 2,2 V cm in funzionamento push-pull a singolo comando, un'elevata linearità, una larghezza di banda EO di almeno 70 GHz e velocità di modulazione fino a 112 Gbit/s.
Grazie a questi risultati, la piattaforma proposta offre nuove possibilità per le future reti di comunicazione ottica ad alta velocità, efficienti dal punto di vista energetico ed economiche.

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I risonatori WGM fabbricati con mezzi attivi laser fungono da efficienti sorgenti di luce coerente. Tuttavia, per ottenere prestazioni di uscita così elevate, è necessario utilizzare una sorgente laser costosa con un'ampiezza a tenaglia, inadeguata per l'uso pratico. In questo studio abbiamo presentato un risonatore WGM che funziona in modo stabile nonostante il pompaggio con un diodo laser economico. I problemi del risonatore WGM convenzionale, come le preoccupazioni per i modi di ordine superiore, la direzione di oscillazione, la bassa potenza di uscita e la stabilità, sono stati risolti.

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Dimostriamo un proof-of-concept di misurazione della larghezza di impulso basata sull'assorbimento saturabile (SAPM) esplorando la trasmissione non lineare dipendente dall'intensità Dimostriamo una prova di concetto della misurazione della larghezza di impulso basata sull'assorbimento saturabile (SAPM) esplorando la trasmissione non lineare dipendente dall'intensità (cioè l'assorbimento saturabile) dei nanotubi di carbonio in materiale a bassa dimensionalità (LDM). Un'energia d'impulso minima rilevabile di 10 fJ con un Pav⋅ Ppk di 1,3 ×Lo spessore a livello nanometrico e il tempo di decadimento a livello di femtosecondi degli LDM consentono l'interazione ultraveloce della luce su un ingombro molto ridotto, un fattore chiave per il rilevamento della luce ultraveloce. L'interazione della luce ultraveloce su un ingombro molto ridotto, che potenzialmente supporta la caratterizzazione su scala chip di impulsi ultraveloci con una distorsione minima.

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Esistono diversi tipi di fenomeni e principi fisici che danno origine al colore. Tra gli esempi vi sono l'assorbimento ottico negli spettri selettivi dei coloranti, la dispersione e l'interferenza nelle strutture periodiche su micro e nanoscala. In questo studio viene realizzato un nuovo metodo per creare colori strutturali iridescenti. A tal fine, sono state effettuate nuove previsioni e convalide teoriche utilizzando gocce multistrato, polimeri 3D e particelle solide. È stato dimostrato che è possibile progettare colori strutturali controllabili su microscala.

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Per accelerare la comunicazione e l'elaborazione delle informazioni sui chip, è necessario introdurre la tecnologia fotonica nei circuiti elettronici sviluppati finora. Il problema è la capacità nella parte di conversione EO e OE, dove un valore elevato di capacità significa che è necessaria una maggiore carica, con conseguente riduzione dell'efficienza di conversione. In questo studio sono stati utilizzati cristalli fotonici per ottenere una capacità ultrabassa. Il risultato è un modulatore EO che opera con l'energia più bassa al mondo e un fotoricevitore senza amplificatore. Inoltre, combinando questi due elementi su un singolo chip, è stato fabbricato un transistor OEO di ordine femtoFarad, che consente la conversione della lunghezza d'onda, l'amplificazione ottica e la commutazione ottica con un consumo di energia bassissimo.

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Presentiamo un fotorivelatore al grafene per applicazioni datacom basato su una guida d'onda a difetti di cristallo fotonico di silicio. Inoltre, viene utilizzato come elettrodo split-gate per creare una giunzione p-n. Inoltre, viene utilizzato come elettrodo split-gate per creare una giunzione p-n in prossimità della regione di assorbimento ottico. La guida d'onda a difetti di cristallo fotonico consente una conversione fototermoelettrica ottimale del profilo di temperatura che si verifica nel grafene in una fototensione dovuta al silicio aggiuntivo. La guida d'onda a difetti in cristallo fotonico consente una conversione fototermoelettrica ottimale del profilo di temperatura che si verifica nel grafene in una fototensione grazie a lastre di silicio aggiuntive su entrambi i lati della guida d'onda, migliorando la risposta del dispositivo rispetto a un design convenzionale della guida d'onda a fessura. Con una polarizzazione moderata di 0,4 V, otteniamo una reattività fotoconduttiva di 0,17 A/W.

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I collegamenti fotonici analogici richiedono una conversione ottico-elettrica ad alta fedeltà e ad alta velocità per applicazioni quali le comunicazioni wireless in fibra, la sincronizzazione in impianti di dimensioni chilometriche e la generazione di segnali elettronici a basso rumore. La non linearità nei fotorivelatori è un problema particolarmente fastidioso, che causa distorsione del segnale e rumore eccessivo nei sistemi che utilizzano impulsi ottici ultracorti. Qui dimostriamo che i fotorivelatori progettati per l'elaborazione ad alta potenza e l'alta linearità possono eseguire la conversione ottica-elettrica di impulsi ottici ultracorti con una linearità senza precedenti in un ampio intervallo di fotocorrenti.
Questa ricerca ha portato a un notevole miglioramento delle prestazioni rispetto ai fotodiodi di ultima generazione e a un aumento significativo della potenza a microonde raggiungibile.

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I MIXSEL (laser ad emissione superficiale a cavità esterna integrata con blocco di modalità) sono un tipo relativamente nuovo di laser a semiconduttore. Il risonatore è costruito impilando su un unico wafer i mezzi di guadagno e di assorbimento saturabile necessari per l'oscillazione e il blocco di modalità del laser. Nonostante l'elevato costo di fabbricazione, la lunghezza del risonatore può essere controllata dal numero di strati, consentendo velocità di ripetizione da 5 GHz a 100 GHz e potenze di uscita fino a diversi 100 mW.
In questo studio, un MIXSEL con una frequenza di ripetizione di 2,7 GHz, una larghezza d'impulso di 150 fs, una larghezza spettrale di 13 nm (FWHM) e una potenza di uscita di 30 mW è stato fabbricato con un metodo diverso dai metodi di produzione convenzionali e ottenuto migliorando la compensazione della deformazione, il mezzo di guadagno e i metodi di trattamento termico. Nella presentazione verranno illustrati la struttura e il meccanismo del MIXSEL, il confronto con i VECSEL (laser a cavità verticale a emissione superficiale) e le applicazioni.

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Il pettine ottico di frequenza (microcomb) basato su micro-risonatori ottici che utilizzano la tecnologia fotonica integrata è una promettente sorgente luminosa con un'ampia gamma di applicazioni in metrologia, comunicazioni e rilevamento. In particolare, i risonatori ad anello in nitruro di silicio (Si3N4) sono stati ampiamente utilizzati negli ultimi anni, perché garantiscono sia l'integrazione che un'elevata non linearità.
In questo studio è stato generato un microcomb a banda larga di un'ottava con una lunghezza d'onda di 767-1556 nm controllando la dispersione di un risonatore in nitruro di silicio, pompato da un laser con una lunghezza d'onda di 1064 nm. Per sintonizzare la frequenza di modo del microcombinato, è stato progettato un chip contenente 75 risonatori ad anello di dimensioni variabili. Questa sorgente a pettine di frequenza su un singolo chip consente di accedere a tutte le lunghezze d'onda, dalla regione del vicino infrarosso alla banda delle telecomunicazioni, importante per la spettroscopia atomica.

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Il niobato di litio LN (LiNbO3) è un noto materiale ottico con un'elevata non linearità di secondo ordine. In particolare, esiste una lunga storia di oltre 25 anni di ricerca sugli LN per la combinazione di effetti elettro-ottici. Tuttavia, gli LN non possono essere coltivati su substrati di silice ed è stato difficile generare pettini a banda larga a causa dei loro svantaggi strutturali.
Negli ultimi anni è stata realizzata una tecnica per incollare gli LN su substrati di silice e in questo studio è stata utilizzata una guida d'onda LN su un substrato di silice per generare pettini in un intervallo di lunghezze d'onda molto ampio (1560nm-1640nm) mediante una tensione di polarizzazione a microonde. Inoltre, l'ampiezza del pettine può essere modificata liberamente variando la frequenza della tensione di polarizzazione e questa tecnica può essere applicata alla generazione di un doppio pettine su chip.

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Chiunque può iscriversi.

Che cos'è il Journal Club?
Si tratta di una serie di conferenze aperte che si tengono nel Tanabe Photonic Structures Laboratory. Gli studenti, a partire dal livello post-laurea, esaminano documenti relativi all'ottica e alle tecnologie correlate, come la fotonica, i materiali, le bioscienze, ecc. e li spiegano in modo semplice e comprensibile.

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Le conferenze sono gratuite, indipendentemente dal fatto che ci si trovi all'interno o all'esterno del campus. Le conferenze si terranno regolarmente, quindi se siete interessati a qualche argomento, venite e partecipate. Non è necessario un preavviso per partecipare, ma se ci contattate in anticipo, prepareremo il materiale per voi.

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