Journal Club 2018 | 田辺光子结构组

期刊俱乐部

按年份（4-12月）划分

2018财年。

演示文稿 :

电子和光子技术是支持工业的关键技术，但这两种技术在片上的整合历来是一个重大挑战。然而，将这些技术应用于大量的应用程序的成本是令人望而却步的。
因此，本研究通过引入多晶硅层，将光子技术融入CMOS工艺。已经验证了各种光学元件，如波导结构、高速调制器和光电探测器，可以和晶体管一起在CMOS工艺中集成在一个芯片上。

演示文稿 :

在本文中，我们提出了一种金属-绝缘体-金属（MIM）压力传感器，它由两个质子波导和一个双方环谐振器组成。两个方环通过位于它们之间的一个矩形贴片连接。有限差分时域法（FDTD）已被用于模拟该设备。在该结构上施加压力，它就会变形，并计算出共振波长的红移为103纳米。所提出的光学质子压力传感器的灵敏度为16.5nm/MPa，这意味着拟议的光学质子压力传感器的灵敏度为16.5nm/MPa，这使得它非常适用于生物和生物医学工程。

演示文稿 :

以可靠和非侵入性的方式光学捕获纳米级颗粒的能力已成为纳米科学的一项重要能力。因此，各种技术，包括质子纳米结构，已经被引入到纳米级颗粒的捕获中。然而，由于金属的高损耗，基于质子学的纳米光镊面临焦耳加热问题。在此，本研究通过实验证明了一种非等离子体方法，即利用硅纳米天线对纳米粒子进行光学捕获和传输。这里捕获了直径为20和100纳米的聚苯乙烯纳米颗粒，并使用荧光显微镜来跟踪它们的位置与时间的关系。这表明，多个纳米粒子可以同时被单个纳米天线所捕获。还介绍了纳米天线的模拟结果，这些模拟结果预示着在轻微发热的情况下增强了光学力。这项研究表明，硅纳米天线能够实现纳米粒子的光学限制，而没有有害的热加热效应。

演示文稿 :

"侧向石墨烯p-n结很重要，因为它们构成了各种不同的核心部件。然而，由于石墨烯的单层特性，形成具有可控掺杂水平的横向石墨烯p-n结仍然是一个巨大的挑战。在此，通过进行选择性离子植入和动态化学蒸气的原位生长沉积，直接形成无缝横向石墨烯p-n结的空间控制和可调谐的掺杂被证明。掺硼和掺氮区域都实现了氦原子的均匀晶格置换，并进行了光-电评估。由于离子植入是微电子领域的标准技术，我们的研究提出了一种简单而有效的策略，用于大规模生产石墨烯p-n具有批量能力和空间可控性的结，可以很容易地集成到基于石墨烯的电子产品的生产和引自[Gang Wang, et al "Seamless lateral graphene p-n junctions formed by selective in situdoping for high-performance photodetectors", Nature Communicationsvolume 9, Article number: 5168 (2018)] 。

演示文稿 :

探测由绕行行星引起的宿主星的微弱径向速度偏移是发现和描述行星的一项重要技术光学频率梳能够在探测地球类似物所需的水平上校准恒星的径向速度偏移。一种新的基于芯片的装置，即克尔孤子微梳，具有在实验室外普遍应用的理想特性，甚至可以用于未来的太空仪器。此外，微梳状光谱非常适用于天文摄谱仪的校准，并消除了过滤步骤。在这里，对于天文摄谱仪的校准，我们展示了一个搜索已知系外行星HD 187123b的努力是在Keck-II望远镜作为微梳子的第一个现场演示。

演示文稿 :

物联网使用许多无线传感器来获取物理环境的数据（温度、湿度、气压），有许多可能的应用，包括环境测量、医疗保健传感器、智能城市和精准农业。无线传感器收集、分析和传输有关环境的数据。一般来说，物联网中使用的无线传感器主要由电子设备组成，在很多情况下可能会受到电磁干扰。光学传感器不受电磁干扰的影响，因此在恶劣的环境中具有显著的优势。此外，通过引入光学谐振来增强光的相互作用，基于谐振器的光学传感器可以通过提供紧凑、敏感和多功能的功能，显著提高无线传感器的能力和灵活性。在这项研究中，首次展示了一个基于耳语廊模式（WGM）光学谐振器的无线光子传感器节点。

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近年来，对具有轨道角动量（OAM）的光束，如光涡流的研究一直很活跃，但不仅能检测而且能测量具体数值的设备一直被限制在体积大小。在这项研究中，一个新的CMOS兼容的质子拓扑绝缘体Sb2Te3被用来创建一个微型OAM测量装置。
与传统使用的材料（如金）相比，所提出的拓扑绝缘体在紫外光到可见光范围内具有优异的性能，并能实现高度精确的OAM测量，其串扰低于-20dB。
拓扑绝缘体、OAMs和表面等离子体也将在这一天被简要介绍。

演示文稿 :

光学陀螺仪可以通过使用萨格纳克效应来检测旋转速度。基于这一原理的陀螺仪非常适用于在纳米光子结构上进行微型化。然而，陀螺仪的信噪比通常受到热波动和制造失配的限制。由于微尺度的信号强度相对较低，集成的纳米光子陀螺仪到目前为止还没有被实现。
在这项研究中，采用了一种名为 "互换灵敏度增强 "的新方法来抑制热波动和制造不匹配，从而产生了一个超紧凑的陀螺仪。这种陀螺仪比传统的光纤陀螺仪小500倍，但灵敏度却高30倍。

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2018年诺贝尔物理学奖已将一半授予阿瑟-阿什金，以表彰他的光学镊子及其在生物系统中的应用，以及斯特里克兰德博士是获得诺贝尔奖的210名获奖者中的第三位女性。在演讲中，将对今年获奖的科学工作进行简要介绍介绍，然后将展示斯特里克兰博士小组的最新工作，他们报告了一个紧凑的、高平均功率。亚二十秒，双色（1025和1085纳米）光纤耦合，啁啾脉冲放大的Yb：光纤激光器。

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晶体谐振器作为一个非常广泛的应用的基本平台引起了人们的注意，包括孤子生成、低噪声微波生成和频率稳定。
因此，在这项研究中，通过将光从氮化硅波导插入具有空气桥结构的二氧化硅波导，实现了片上和高效的耦合。
与使用锥形纤维的耦合相比，这种方法更坚固，更适合于包装。

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电子振荡器电路被用于从电信到时钟生成等许多领域。电子振荡器电路的这些非理想性，是设计 "电子振荡器 "的动机之一。opt-电子振荡器。

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掺铒光纤放大器是WDM/DWDM技术中的一个关键设备。为EDFA建模的任务在计算上很昂贵。在本文中，我们研究了多层前馈神经网络在EDFA建模中的应用。

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近年来，当涉及到环境问题时，纤维素材料作为传统塑料的替代品引起了新的兴趣。在这项研究中，我们利用软光刻技术制造了由羟丙基纤维素（HPC）制成的光子和等离子体结构。纤维素光子晶体是生物适用的，可在各种溶剂（如水）中降解，并可通过光子结构着色，具有增强的光致发光性。此外，研究表明，通过形成带有金属涂层的质子晶体，可以将质子晶体用作表面增强拉曼光谱。

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将光学谐振器集成到微流控设备中的光流控染料激光器能够对少量和低浓度的物体进行敏感检测。在这项研究中，利用微滴光学共振器实现了基于福斯特共振能量转移（FRET）的多色激光。在这里，产生了具有引入香豆素102的单分散微流控液滴。这些球形液滴充当了一个耳语廊模式的光学谐振器，并在大约470纳米的波长下被激怒。液滴谐振器中增益介质的组成可以改变，通过在流动的液滴中引入罗丹明6G，波长可以从蓝色变为橙色（~590纳米）。在罗丹明6G汹涌而至时，没有观察到香豆素102的发射。像本研究中那样，在同一个液滴共振器中控制汹涌的颜色的能力，可以在共振器中或周围连续检测多种类型的目标分子。

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光纤和芯片之间、芯片与芯片之间的接口等，历来是光子学设备集成的一个难题。传统的方法需要高精度的对准和精确考虑模式特性的调整。在这项研究中，在纤维和芯片的端面上形成3D打印的光束形成元件，以提高耦合效率。此外，使用3D打印的自由形状的镜子调整光束形状和传播方向，并使用多个镜头扩大光束。这使得多个芯片的集成在性能上有了很大的提高。

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互联网发送数百Tbit/s的信息，消耗了全球9%的电力消耗。需要更有效的通信光源来减少能源消耗，能源消耗正以每年20-301 TP2T的速度增长。在目前这样的趋势下，预计通过使用单一的梳状光源而不是同时使用许多激光光源，可以实现能源和空间的节约。在这项研究中，通过使用由AlGaAs制成的波导，成功地产生了一个效率极高的661 TP2T的梳子。通过使用这种梳状光源进行信息通信，实现了661 Tbit/s。

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光学元件，即光隔离器，只允许光在一个方向传播，在广泛的应用中很重要。声波的非对抗性传播可以通过使用旋转的机械元件来实现。在本研究中，一个类似的想法被应用于光波，并试图实现一个光隔离器。然而，光波比声波快得多，所以需要相当大的旋转速度才能达到同样的效果。高旋转速度导致轴向模糊，使得谐振器和波导之间的距离难以保持，临界耦合无法保持。因此，人们采用了其他方法进行隔离。
因此，利用HDD中流体力学方面的磁头从磁盘中出现的纳米级精度的原理，在距离谐振器几纳米的地方实现了耦合。在这个实验中，通过高速旋转谐振器，顺时针和逆时针模式被分割，达到99.6%的隔离度。

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智能交通系统（ITS）是用于控制交通灯等的基础设施技术。在这项研究中，提出了一种雷达传感器，可以同时完成ITS所需的三项技术任务：交通量测量、速度测量和车辆类型区分。

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在热、光或磁场等刺激下改变形状的软性材料具有众多的应用潜力，从柔性电子和软性机器人到生物医学挑战，如药物输送和生物组织工程。特别是，磁场的使用对医疗应用很有希望，因为在这些应用中，材料需要在封闭的空间中被远程操纵和移动，但目前的制造方法只能诱发简单的形状变化。
这项研究提出了一种打印软性材料的技术，这些材料被磁力激活并在不到一秒钟内变形：通过磁化3D打印机的喷嘴并控制硅橡胶基质中铁磁性微粒子的排列，可以制造出可逆和动态变形的结构。所制造的材料可以被编程为执行各种有用的动作，如旋转、跳跃和抓取物体，预计将有广泛的应用。

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具有等距频率成分的光学频率梳是现代频率计量学、精密光谱学、天文光谱学、超快光学和量子信息工程的基础。近年来，随着对时空共振孤子的观察，利用具有超高Q值的单片微腔中的克尔和拉曼效应等非线性的芯片级频率梳取得了进展。然而，无论是微腔还是光纤谐振器，通常很难通过电场来调整激光谐振器中的波长色散，而波长色散决定了光梳的形成。这种电动态控制将光学频率梳与光电子学联系起来，并使各种光学梳在单个谐振器中的输出具有快速和方便的可调性。由于非凡的费米-狄拉克可调性和超快的载流子迁移率，石墨烯具有由其光导率决定的复杂的光学色散，它可以通过栅极电压进行调控。在这里，我们在氮化硅微光共振器中引入了门控可调的光传导性，并通过改变二阶和高阶波长色散，展示了基于石墨烯的门控光频率梳的共振器内调谐性。

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在报告中，我们展示了如何利用激光，通过转移激光束的位置，有效地捕获气泡，并通过液相将其运送到所需的目的地。该效应所依据的物理学原理很复杂，但相当普遍，因为它来自于有限的二维的、众所周知的马兰戈尼效应。基于显微镜的实验系统包括在两块含有染料的玻璃板之间放置一层薄薄的液体。这个点状热源局部改变了附近液体-空气界面的表面张力。由于温度梯度，诱发了光触发的马兰戈尼流，导致了效应的自我放大和大规模漩涡的形成。该界面向光束位置弯曲，允许在适当的光束转向时形成一个气泡。利用各种技术（采用发光粒子或液晶），我们可以看到由切向界面力推动的液体流动。这有助于我们理解这一现象的物理学，并分析导致气泡困住的伴随效应。通过控制激光光界面弯曲（即 "液滴弹射器"）诱导在玻璃表面移动的无柄液滴的操纵是也显示了这一点。

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在现代癌症治疗中，活检方法需要进行组织学分子和基因组分析。在具有瘤内异质性的癌症中，一步到位地准确定位和充分取样，对于降低患者风险非常重要。在这项研究中，我们提出了一种技术，能够在收集过程中通过拉曼光谱法进行原位癌细胞识别，并展示了癌症检测。

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使用有机半导体可以制造轻量级和机械灵活的光电器件。然而，大多数有机半导体激光器仍然是 "刚性 "的，部分原因是它们需要一个基底来支持它们。在这项研究中，利用简单的制造工艺，在没有衬底的情况下制造了一个超薄（<500纳米）的薄膜型DFB激光器，实现了超轻重量和高灵活性。这种轻量级和高灵活性可通过将其纳入隐形眼镜、纸币等，用于未来的安全和医学等领域的应用。

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在这项研究中，我们成功地在硅藻土谐振器中产生了自发的手性而没有打破PT对称性。这种圆二色性是由于非线性效应造成的CW和CCW之间耦合的变化。实验证明，当输入光强度超过几百uW的阈值时，非线性效应受到影响，并产生约20:1的圆二色性。

演示文稿 :

软体机器人是能够很好地适应人类和自然环境的安全机器人，近年来以各种方式得到了发展。然而，使用软体材料制造软体机器人的所有部件是很困难的，因此有必要在某些部件中使用金属。在这项研究中，开发了一个章鱼状的软体机器人，其中所有的部件都是由软体材料制成，没有使用金属。该机器人不需要与外部电源连接，并可通过催化反应实现自主。

我们将定期向您通报这些活动。
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什么是期刊俱乐部？
这是一个在田边光子结构实验室举行的公开系列讲座。研究生以上水平的学生调查与光学和相关技术有关的论文，如光子学、材料、生物科学等，并以通俗易懂的方式加以解释。

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