Journal Club 2020 | Gruppo Struttura Fotonica Tanabe

Club del giornale

Per anno (aprile-dicembre)

＜Sessione di ascolto del "Journal Club".

ANNO FISCALE 2020.

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Il risonatore WGM ha una simmetria chirale e non è facile controllare l'uscita ottica nelle direzioni CW e CCW. In questo lavoro, è stata sviluppata una sorgente microlaser che utilizza la rottura della simmetria variando l'intensità della luce di pompa. È stato ottenuto sperimentalmente un rapporto di selezione di quasi 160:1 in direzione CW e questo sistema robusto e riconfigurabile potrebbe essere utilizzato in futuro come nuova piattaforma.

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Con spettri ottici equidistanti da frequenze nel dominio delle microonde o delle radiofrequenze, i pettini ottici di frequenza sono stati utilizzati non solo per sintetizzare frequenze ottiche da riferimenti a microonde, ma anche per generare microonde a bassissimo rumore mediante divisione ottica della frequenza. In questo studio, la generazione di microonde a basso rumore basata su un'innovativa tecnica di divisione della frequenza è stata dimostrata combinando due pettini di frequenza: un microcomb soliton e un pettine a guadagno commutato a semiconduttore. Un laser a semiconduttore pilotato da una corrente sinusoidale e bloccato a iniezione su un solitone a microcavità viene utilizzato per bloccare la purezza spettrale del solitone dissipante a un multiplo intero della frequenza di ripetizione del microcomb. Il pettine commutato a guadagno emette uno spettro ottico denso che divide la spaziatura delle linee del solitone a microcombinazione. Grazie al suo potenziale di integrazione, l'integrazione dei due dispositivi su chip apre la strada a un'ampia gamma di applicazioni della tecnologia a pettine di frequenza.

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I filtri RF a microcombinazione di ultima generazione necessitano di sagomatori di impulsi, aumentando il costo, l'ingombro e la complessità del sistema. In questo lavoro, dimostriamo un filtro RF a pettine che utilizza pettini di solitoni e non richiede un ulteriore pulse shaper. Inoltre, è possibile applicare diversi stati di microcombinazione (singolo solitone a pettine, due solitoni a pettine e cristallo solitone perfetto) per riconfigurare facilmente il filtro RF.

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I sistemi con nonlinearità saturabile comportano una serie di fenomeni non riscontrabili nei sistemi lineari. In questo studio, la non linearità saturabile (assorbimento e guadagno saturabili) degli ioni Er aggiunti a una microcavità di silice è stata dimostrata teoricamente e sperimentalmente. I risultati mostrano che per basse concentrazioni di aggiunta, il modello isolato concorda bene con i risultati sperimentali e può essere utilizzato come descrizione di base per l'analisi della non linearità saturabile nel caso di alte concentrazioni di aggiunta. Tuttavia, nel caso di alte concentrazioni di aggiunta, si è riscontrato che l'effetto di raggruppamento degli ioni Er deve essere preso in considerazione per ottenere un accordo ragionevole con i dati sperimentali. Pertanto, la concentrazione di ioni è stata variata e la non linearità saturabile è stata valutata sperimentalmente. I risultati sperimentali sono altamente coerenti con la teoria, compresa la bistabilità ottica e la simmetria non lineare parità-tempo. I risultati suggeriscono la possibilità di altre applicazioni della teoria basata sulla nonlinearità saturabile, come la bistabilità ottica e la simmetria non lineare parità-tempo.

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Il controllo a lungo termine della fase dell'inviluppo portante (CEP) dei laser mode-locked è una tecnica essenziale per applicazioni quali l'ottica ultraveloce e la misurazione di precisione. In questo lavoro, il CEP di un laser Er:Yb mode-locked è stato stabilizzato con successo con una precisione inferiore a 14 mrad per oltre 75 ore, utilizzando un sistema di controllo che combina il controllo a breve termine con un metodo feed-forward e il controllo a lungo termine con un metodo di feedback. Le prestazioni del sistema di controllo sono state valutate anche in base alle variazioni dell'ambiente esterno.

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I rivelatori di fotoni singoli a nanofili superconduttori (SNSPD) sono attualmente la tecnologia leader per il conteggio dei fotoni singoli alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso, con efficienze superiori a 901 TP3T, jitter di <3 ps, tempi di reset di pochi ns e tassi di conteggio al buio inferiori a Hz. Tuttavia, a differenza dei sensori superconduttori a bordi di transizione (TES) e dei rivelatori di induttanza meccanica a microonde (MKID), l'SNSPD non ha una risoluzione del numero di fotoni. In questo lavoro, l'adattamento di impedenza con una linea di trasmissione conica viene utilizzato per fornire un'impedenza di carico di kΩ all'SNSPD senza latching, collegando al contempo l'elettronica di lettura a 50 Ω, rendendo l'ampiezza di uscita dell'SNSPD sensibile al numero di hotspot indotti dai fotoni e consentendo una risoluzione del numero di fotoni più pratica. risoluzione del numero di fotoni.

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Le tecniche di apprendimento automatico, come le reti neurali, hanno attirato l'attenzione come potenti strumenti per i problemi inversi delle nanostrutture. Tuttavia, a causa della complessità della relazione tra le nanostrutture e le loro proprietà ottiche, la soluzione ottimale spesso non è unica, il che può portare a problemi di convergenza dell'algoritmo. In questo lavoro, un algoritmo chiamato Mixture density network viene utilizzato per analizzare questo problema e ne viene chiarita l'utilità.

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I pettini ottici di auto hanno il potenziale per diventare una componente importante dei sistemi di comunicazione WDM (wavelength division multiplexing) e recenti esperimenti hanno dimostrato il loro potenziale per le comunicazioni ad alta velocità a decine di Tbit/s. Tuttavia, la potenza di uscita delle sorgenti a pettine su scala chip è tipicamente inferiore a quella dell'uscita convenzionale, richiedendo amplificatori aggiuntivi e compromettendo il rapporto segnale-rumore ottico (OSNR). Questo articolo esamina l'impatto della potenza del pettine e del rapporto ottico carrier-to-noise (OCNR) sulle prestazioni WDM. Inoltre, viene analizzato l'impatto delle variazioni di potenza da linea a linea sull'OSNR raggiungibile e sulla capacità di trasmissione, utilizzando i pettini di solitoni come esempio particolarmente interessante. Questi possono aiutare a confrontare diversi tipi di sorgenti a pettine e a stabilire un benchmark rispetto alle prestazioni di trasmissione ottenibili.

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L'oscillazione ottica parametrica non lineare è possibile nei risonatori micro-ottici grazie al loro basso volume di modo e all'alto valore Q. Un aspetto importante di questi studi è il controllo della frequenza di risonanza relativa. I metodi convenzionali per i risonatori in nitruro di silicio hanno sintonizzato i modi di risonanza globali variando l'area della sezione trasversale del risonatore ad anello. Questo metodo può non essere adatto quando si vogliono introdurre processi non lineari concorrenti. Viene presentata una soluzione a questo problema, che prevede l'uso del multiple selective mode splitting (MSMS) per sintonizzare le frequenze di risonanza desiderate.

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I microlaser sintonizzabili sulla lunghezza d'onda nella gamma della luce visibile svolgono un ruolo importante nella tecnologia dell'illuminazione, dei display e del rilevamento. Tuttavia, la maggior parte dei microlaser sintonizzabili sulla lunghezza d'onda funziona in modalità multimodale. In questo studio, l'emissione RGB è stata ottenuta aggiungendo una sostanza con guadagno nella regione della luce visibile a un risonatore WGM. Inoltre, è stato sviluppato un laser monomodale sintonizzabile sulla lunghezza d'onda accoppiando questi risonatori per estrarre solo specifiche lunghezze d'onda.

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I solitoni dissipativi a cursore forniscono pettini di frequenza coerenti a banda larga e a basso rumore e treni di impulsi temporali stabili e mostrano un grande potenziale applicativo in spettroscopia, comunicazioni e metrologia. I solitoni respiratori sono un tipo specifico di solitoni dissipativi a cursore in cui la larghezza dell'impulso e l'intensità del picco presentano oscillazioni periodiche. In questa sede, sono stati studiati i solitoni dissipativi di respirazione in microring di nitruro di silicio (Si3N4) e sia le simulazioni che gli esperimenti hanno dimostrato che il periodo di respirazione ha un'incertezza dell'ordine di circa megahertz (MHz). Questa instabilità è un ostacolo importante per le applicazioni future. Applicando un segnale di modulazione al laser di pompa, la frequenza di respirazione può essere agganciata per iniezione alla frequenza di modulazione e sintonizzata a decine di MHz o più con una significativa soppressione del rumore di frequenza. I nostri risultati forniscono un punto di ingresso secondario per controllare la dinamica dei solitoni nelle microcavità e aprono nuove strade per le applicazioni pratiche dei solitoni respiratori.

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Tra gli effetti ottici non lineari, la diffusione Brillouin indotta mostra il massimo guadagno nei materiali solidi e ha dimostrato capacità fotoniche avanzate nelle guide d'onda. D'altra parte, l'efficienza della diffusione Brillouin indotta potrebbe essere ulteriormente migliorata sfruttando la grande comprimibilità del gas. In questo lavoro, una fibra a nucleo cavo riempita di gas ad alta pressione viene utilizzata per ottenere un'amplificazione Brillouin più di sei volte superiore a quella osservata con una fibra di silice solida. Questa tecnica può essere applicata a qualsiasi banda di lunghezza d'onda, suggerendo che vari tipi di luce possono essere amplificati nelle guide d'onda a nucleo cavo. Inoltre, grazie a questo meccanismo sono stati realizzati un laser in fibra Brillouin a bassa soglia e un sensore di temperatura distribuito ad alte prestazioni, dimostrando nuove potenziali applicazioni delle fibre a nucleo cavo.

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Negli ultimi anni, le microcombe sono diventate capaci di elevate velocità di ripetizione fino a 1 THz, con vantaggi in molti settori come la multiplazione delle lunghezze d'onda, il campionamento coerente e l'autoreferenziazione. Tuttavia, il rilevamento a tali velocità di ripetizione è difficile a causa della limitata larghezza di banda dei fotodiodi e dell'elettronica. In questo articolo viene presentato un metodo di divisione di frequenza Vernier a doppio pettine ("Dual-comb Vernier frequency division method") per risolvere questo problema. Il metodo utilizza un solitone di Vernier libero a 216 GHz e campiona e divide la frequenza di ripetizione del solitone principale da 197 GHz a 995 MHz. Questa dimostrazione semplifica i requisiti delle apparecchiature per il rilevamento della frequenza di ripetizione da parte dei microcomputer e trova applicazione in vari campi, come gli orologi ottici e la fotonica a microonde.

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Sebbene si preveda che le microcombine saranno utilizzate in una varietà di applicazioni, la loro bassa efficienza energetica e la difficoltà di controllo ne hanno ostacolato la diffusione nel mondo reale. Qui, un solitone chirale, un agile interruttore on-off e un doppio pettine sintonizzabile, è stato realizzato sperimentalmente introducendo un mezzo di guadagno laser (ioni di erbio) in un microcombinato di solitoni. Regolando il guadagno dell'erbio, è possibile generare stati multisolitonici, estendendo il regime di capacità dei solitoni.

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La sintonizzazione fine continua (regolazione fine delle lunghezze d'onda) dei processi non lineari nei risonatori WGM (Whispering Gallery Mode) è ancora agli inizi. La sintonizzazione fine è stata ottenuta estendendo un dispositivo piezoelettrico con un risonatore WGM incorporato composto da cristalli di niobato di litio. I vantaggi di questa tecnica includono una minore dispersione e una maggiore velocità rispetto alla sintonizzazione fine termica. In questo lavoro, si ottiene una sintonizzazione fine continua senza mode-hopping di una luce di pompa vicino a 1 µm, con generazione di seconda armonica nell'intervallo di 28 GHz e oscillazione ottica parametrica nell'intervallo di 4,5 GHz.

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È stato proposto e dimostrato sperimentalmente che la simmetria PT può essere implementata nello spazio delle lunghezze d'onda, un parametro non spaziale. È stato progettato un OEO (oscillatore ottico a microonde) simmetrico nello spazio delle lunghezze d'onda per generare segnali a microonde di alta qualità. È stato dimostrato che l'eliminazione della sovrapposizione spaziale riduce la complessità del sistema e migliora significativamente la stabilità rispetto ai sistemi a simmetria PT spaziale.

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L'uso della luce ultravioletta coerente nel vuoto, polarizzata circolarmente, permette di osservare fenomeni istantanei come lo stato di spin degli elettroni e la struttura molecolare degli organismi viventi e dovrebbe consentire la scoperta di nuovi fenomeni e caratteristiche mai visti prima. Tuttavia, è difficile controllare la luce nella regione ultravioletta del vuoto ed è stato difficile generare luce pulsata coerente e polarizzata circolarmente. Il presente lavoro descrive lo sviluppo di un metodo semplice per convertire la luce circolarmente polarizzata nella regione dell'ultravioletto nel vuoto irradiando luce laser a femtosecondi circolarmente polarizzata nella regione della luce visibile su un cristallo fotonico a quattro volte a simmetria rotazionale.

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Esperimenti di trasmissione dati da 100 GBd con schemi di modulazione OOK e PAM4 per un modulatore Mach-Zehnder ibrido in silicio-organico con una bassa perdita di inserzione dello sfasamento di 0,7 dB, con velocità di linea fino a 200 Gbit/s. Il tasso di errore di bit è inferiore alla soglia di hard decision forward error correction (HD-FEC) del 7%, con una velocità di trasmissione dati netta di 187 Gbit/s. Si tratta della più alta velocità di trasmissione dati PAM4 mai raggiunta con un modulatore Mach-Zehnder fotonico al silicio di meno di 1 mm.

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Il funzionamento veloce della frequenza laser è un prerequisito per il blocco di fase, la stabilizzazione della frequenza e la trasmissione stabile nella portante ottica. Le microcombe a solitoni sono state dimostrate a livello di sistema come sorgenti luminose a pettine di frequenza su scala di chip, ma finora non è stato possibile ottenere il blocco di fase della banda operativa di MHz su chip. In questo studio, l'attuazione di microcombinazioni di solitoni ad alta velocità viene eseguita utilizzando attuatori AlN integrati monoliticamente.

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La trasparenza indotta dalle onde elettromagnetiche (EIT), un effetto di interferenza quantistica che inibisce l'assorbimento della luce in un mezzo opaco, ha trovato un'ampia gamma di applicazioni, come la generazione di luce lenta, l'archiviazione ottica, la conversione di frequenza e la memoria ottica quantistica. In questo studio, l'EIT è stato ottenuto in un nuovo sistema che non richiede il controllo esterno della temperatura o della potenza ottica, controllando la direzione di propagazione della luce nel risonatore.

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Grazie ai forti effetti ottici non lineari di Pockels e Kerr e a un band gap molto ampio, il nitruro di alluminio monocristallino (AlN) è una piattaforma interessante nel campo dell'ottica non lineare. In questo lavoro, per la prima volta sono state fabbricate per fotolitografia microcavità integrate di AlN ben incise su zaffiro con elevati valori di Q (2,1×10^6) nel modo TE00: un pettine di Kerr che si estende per quasi un'ottava nell'intervallo da 1100 a 2150 nm è eccitato dal modo TM00 con una potenza di 406 mW. Grazie alle elevate prestazioni di confinamento, anche un modo di ordine superiore, il modo TE10, eccita pettini di auto che vanno da 1270 a 1850 nm con una potenza di 316 mW. Inoltre, durante la generazione del pettine di Kerr è stata osservata una conversione di frequenza in luce visibile dovuta alla generazione di armoniche. Il presente studio è promettente per la costruzione di una piattaforma non lineare integrata su larga scala e a basso costo basata su AlN.

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Negli ultimi anni, la ricerca ha reso possibile la generazione di pettini di frequenza utilizzando circuiti integrati fotonici compatibili con CMOS. Tuttavia, le microcombinazioni di solitoni attualmente sviluppate sono state difficili da utilizzare nella fotonica a microonde perché operano a velocità di ripetizione ben al di là di quanto l'elettronica convenzionale possa rilevare. In questo articolo, dimostriamo un microcomb di solitoni che opera in due bande di microonde ampiamente utilizzate, la banda X (~10 GHz) e la banda K (~20 GHz). I pettini generati da laser in fibra a basso rumore producono segnali a microonde con livelli di rumore di fase paragonabili ai moderni oscillatori elettronici a microonde. Inoltre, una frequenza di ripetizione dei solitoni così bassa è importante per la generazione di futuri canali multiplexati a divisione di lunghezza d'onda ad alta densità, che potrebbero avere una varietà di applicazioni.

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I laser Raman basati su risonatori WGM integrati hanno consentito numerose applicazioni, dalle telecomunicazioni alla bio-rilevazione. Questi dispositivi utilizzano l'elevato valore Q del risonatore WGM per compensare il guadagno Raman intrinsecamente basso della silice, consentendo l'oscillazione del laser a diffusione Raman indotta a soglie inferiori a MW. Tuttavia, per realizzare un laser a diffusione Raman anti-Stokes con lo stesso effetto ottico non lineare, il basso guadagno Raman della silice comporta una bassa efficienza di oscillazione. In questo studio, le prestazioni del dispositivo sono state migliorate aggiungendo del metallo al risonatore. Di conseguenza, l'efficienza di oscillazione del laser SRS è stata aumentata di un fattore 10 o più, e anche la soglia e l'efficienza sub-mW del SARS sono state migliorate.

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Un concentratore solare luminescente (LSC) è un dispositivo di gestione dei fotoni in grado di raccogliere, dirigere e concentrare la luce solare in piccole aree, consentendo di ottenere una maggiore efficienza. Tuttavia, la perdita intrinseca di fotoni attraverso la cosiddetta "barriera". In questo lavoro, introduciamo un sistema facile e a basso costo di In questo lavoro, introduciamo un approccio facile e a basso costo per la fabbricazione di un filtro macroporoso tridimensionale (3D) in cristallo fotonico (PC) come efficiente riflettore di fotoni, che può essere rivestito con una pellicola di vetro. Dimostriamo che, controllando la banda di riflessione del PC in modo che corrisponda al profilo di emissione degli emettitori QD, l'efficienza di intrappolamento della luce del PC rivestito l'efficienza di cattura della luce dell'LSC rivestito di PC (PC-LSC) può essere significativamente migliorata da 73,3% a 95,1% rispetto al PC convenzionale. Inoltre, abbiamo sviluppato un modello di simulazione che considera l'effetto del riflettore PC. I risultati sperimentali e di simulazione dimostrano che il miglioramento delle prestazioni del dispositivo LSC indotto dal riflettore PC aumenta con l'aumentare del numero di impulsi. Infatti, i dati di simulazione prevedono un incremento massimo di 13,3 volte dell'efficienza quantica esterna (EQE) e del fattore di concentrazione (C Inoltre, i risultati della simulazione offrono una visione della relazione tra l'emissione di fotoni e il fattore di concentrazione (C). Il nostro studio getta luce sulla futura progettazione e fabbricazione di dispositivi LSC con una maggiore efficienza di raccolta e concentrazione dei fotoni. fotoni e di concentrazione grazie a riflettori di fotoni nuovi e selettivi in base alla lunghezza d'onda.

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Lo studio delle interazioni e della multiplazione tra solitoni dissipativi a cursore è stato molto attivo negli ultimi anni. Le molecole di solitoni, in cui diversi solitoni sono legati tra loro, sono utili per studiare le interazioni tra solitoni. La formazione di molecole di solitoni all'interno di micro-risonatori ottici è stata osservata solo per le molecole di solitoni omonucleari, in cui i solitoni sono legati l'uno all'altro con una spaziatura relativamente ampia (almeno più ampia della larghezza del solitone) a causa delle onde dispersive. Ne sono un esempio i multisolitoni e i cristalli di solitoni.
In questo lavoro viene confermata la formazione di molecole di solitoni eteronucleari, in cui i solitoni sono legati l'uno all'altro con una spaziatura più stretta (circa la larghezza di un solitone o meno) rispetto a prima, a causa della modulazione di fase reciproca tra solitoni con velocità di gruppo diverse. Gli spettri delle molecole di solitoni eteronucleari mostrano una struttura diversa da quella dei solitoni ordinari e si prevede che troveranno applicazione in vari campi.

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I cristalli fotonici di valle (VPhC) sono una piattaforma interessante per l'implementazione di guide d'onda ottiche topologicamente protette nei circuiti integrati fotonici (PIC). La realizzazione di modi di luce lenti in guide d'onda topologiche potrebbe portare a un'ulteriore miniaturizzazione e funzionalizzazione dei PIC. Questo articolo riporta un metodo per realizzare guide d'onda topologiche a luce lenta in VPhC basati su lastre di semiconduttore.

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Ci sono stati molti studi sugli interruttori completamente ottici che utilizzano cristalli fotonici. Il silicio e i semiconduttori III-V (InGaAsP) sono spesso utilizzati come cristalli fotonici, ma in questo studio è stata eseguita una commutazione utilizzando cristalli fotonici Si e nanofili InAsP/InP per sfruttare i vantaggi di entrambi.

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Dimostra che un singolo impulso scuro carcom può generare un rapporto di rumore sufficientemente alto per trasmettere 1,84 Pbit/s di dati. Questo risultato è stato ottenuto con 223 WDM modulati con 32 Gbaud, DP-QAM su fibra a 37 core.

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Negli ultimi anni, le microcombs di frequenza nei risonatori micro-ottici hanno raggiunto una precisione che si avvicina a quella dei pettini di frequenza laser grazie a diversi fenomeni fisici. Tuttavia, finora non è stato possibile indagare in tempo reale sull'origine dei fenomeni dinamici e sulla stabilità ad alta potenza dei microcombs. In questo studio, viene chiarita la dinamica di transizione della microcombinazione dallo stato caotico al mode-locking. Inoltre, viene proposto un risonatore controllato dalla dispersione come nuova piattaforma per comprendere le dinamiche veloci del risonatore e ottenere microcombs ad alta potenza.

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Gli assorbitori saturabili sono stati utilizzati per generare impulsi ad alta velocità e gli specchi saturabili assorbenti a semiconduttore (SESAM), il grafene e i nanotubi di carbonio sono stati ampiamente utilizzati, ma negli ultimi anni sono stati sviluppati nuovi assorbitori saturabili. Nel presente studio sono stati dimostrati per la prima volta impulsi mode-locked utilizzando il tetrossido ferrico come assorbitore saturabile e ne sono state misurate le caratteristiche.

Vi informeremo regolarmente sugli eventi.
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.

Informazioni sull'auditing
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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