期刊俱乐部2021｜田辺光子结构组

期刊俱乐部

按年份（4-12月）划分

2021财政年度。

演示文稿 :

在亚谐波相位调制的光泵浦微腔中，对完美孤子晶体（PSCs）的产生进行了数值研究。部分调制泵频率成分通过调制泵模式和谐振器模式之间的游标效应耦合到微腔中，形成啁啾的周期性波，用于形成孤子。由于泵浦效率的提高，具有5-20个孤子的PSCs已经在FSR为10GHz左右的微光共振器中得到证明。此外，它还表明，通过去除调制器，可以在保持PSC状态的同时降低泵的功率。所提出的方案为研究孤子动力学提供了一种新的方法，增加了孤子应用的自由度。

演示文稿 :

自由电子束是对微观结构和成分的多功能探针。在过去的十年中，电子和光子的相互作用导致了成像方法和4D显微镜技术的重大发展。然而，电子束通常只与光有微弱的耦合作用，而电子控制和检测则需要更强的相互作用。
在这项研究中，一个耳语廊模式的谐振器被用来耦合自由电子束与谐振器模式。
这成功地将传播电子的光谱宽度扩展到700电子伏特。

演示文稿 :

近年来，光学集成电路吸引了很多人的注意，因为它们价格低廉，而且能够制造出芯片大小的光学元件。其中，激光器是光学集成电路中的一个重要元素，最近通过多层异质集成将其与SiN波导完全集成。然而，在光子学应用集中的电信波长上，由于大的模式转换损失、未优化的谐振器设计和复杂的制造工艺，目前还不存在具有高器件产量和高输出功率的激光器。在本文中，这
作者报告了一种高性能的SiN激光器，其输出功率为几十毫瓦，通过SiN波导的基本线宽为亚千赫兹，解决了上一节所述的问题。

演示文稿 :

索子梳作为一种紧凑的光频梳光源引起了人们的注意，但其低转换效率是一个问题。在本文中，通过对具有低色散的氮化硅谐振器进行脉冲激励，实现了高效和宽带的孤子组合。激发光的抖动对孤子梳的影响得到了定量澄清。

演示文稿 :

论文显示，由单个激光器激发的微腔的频率组合用于高速数据传输，采用IMDD方案：30Gb/s NRZ调制方案和60Gb/s PAM4调制方案，在2公里的光学范围内，分别有120Gb/s和240Gb/s的数据传输。数据率超过了PSM4（平行单模）和CWDM4（历程波分复用）多源协议中规定的可到达距离、单线数据率和总数据率。与背对背表征相比，0.1分贝的极低功率损耗也表明，使用CMOS兼容的微谐振器频率梳的高速数据传输对于成本和功率敏感的数据中心收发器行业是一种可行的技术。该技术已被证明在对成本和功率敏感的数据中心收发器行业是可行的。

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元表面是由纳米结构的亚波长阵列组成的人工材料，它可以作为相位控制的工具实现多功能的波前工程。在本文中，通过利用非热质元表面奇点附近的拓扑学特征，展示了一种新的相位控制机制。

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通过使用3D打印的微流控芯片直接叠加在光路上，展示了一种零能耗的硅微孔谐振器的谐振频率调谐方法。实验中使用了不同浓度的氯化钠溶液，例如，在氯化钠浓度为10%左右时，实现了自由光谱区以上的共振频率转移。

演示文稿 :

控制物理系统的拓扑特性是开发抗缺陷设备和技术的基础。本文提出了一个光子平台，其基本动态是由拓扑结构、非紧密性和非线性的相互作用来驱动和调整的。利用具有激光写入的波导连续（"增益"）或分裂（"损耗"）并与界面缺陷耦合的光子格子，演示了对奇偶性-时间对称性的非线性控制以及通过非线性恢复或破坏非赫米特拓扑状态。这样的概念可以应用于广泛的非赫米特系统，其增益和损失与强度有关，为操纵光的新方法提供了可能性。

演示文稿 :

光学神经网络（ONNs）使用级联马赫-泽恩德干涉仪（MZIs）实现，是传统深度学习硬件的潜在替代品；与传统的电神经网络相比，ONNs实现了高能效和计算速度，但但由于MZI的原因，需要很大的占地面积。本文通过使用具有奇偶性时间对称性的耦合器代替MZI，新近解决了这一问题，并提出了与使用MZI的耦合器相比，ONN实现速度更快、能量更低的可能性。

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耗散型曲子是在微腔中产生的锁模脉冲，在通信和光谱学方面有多种潜在的应用。然而，要确定地产生基本的孤子状态仍然很困难。在这项研究中，我们从理论上表明，通过连续向外部连续波驱动泵施加高能脉冲触发器，不仅可以确定地演化基本孤子状态，而且可以确定地演化多孤子状态和孤子晶体状态。由于不需要扫描连续波泵的频率，这种方法有可能产生交钥匙的孤子。

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实现了来自孤子微机的52线超级通道，在80公里的传输中实现了高达10 bit/s/Hz的光谱效率，在2100公里的传输中实现了6 it/s/Hz。在接近梳子重复率的符号率下，直接从微型设备的输出产生宽带波形的可行性和优势得到了证明。

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近年来，使用散射体的波前模型使光学操作超越了传统光学，例如，通过聚焦亚波长而不产生像差。然而，需要对散射体进行输入输出测量，而测量方面的挑战是实际使用的障碍。在此，本文的内容通过使用设计事先已知的随机元面来克服这一挑战。此外，通过使用元表面，成像扩展到约8毫米的视场，并具有高孔径的焦点。

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报道了一种基于SiO2微环形共振器的光学MEMS。使用带有图案电极的WGM谐振器，通过 "电容式调谐 "实现了谐振模式的快速调谐。这种调谐能够实现从无线电频率到光频率的有效频率转换，以及诸如光开关的应用。

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量子光源，特别是在所有自由度上都无法区分的相关光子对，是光量子计算和模拟的基础。最近，这种光源已经利用集成光子学实现了，但它们对单一部件的依赖，如环形谐振器，限制了它们调整所产生的光子之间的光谱和时间相关性的能力。在这项研究中，利用双泵自发四波混合在一个由二维阵列谐振器组成的拓扑系统中实现了一个可调谐的无差别光子对源。在这项研究中，光谱带宽是通过利用拓扑边缘状态的线性色散（大约3.5倍）来调整的，而生成的光子之间的量子干扰是通过调整两个泵的频率来调整的。此外，还证明了能量-时间纠缠，并利用数值模拟证实了该源的拓扑稳健性。这项工作的结果可能会导致可调谐的频率复用的量子光源，以实现光量子技术。

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具有时空轨道角动量的光（ST-OAM）是最近发现的一种结构化的局部电磁场，具有时空螺旋相位结构和横向内在轨道角动量。本文介绍了ST-OAM脉冲二次谐波的产生和特征。实验还表明，ST-OAM具有一般的非线性，类似于传统光的轨道角动量。

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在这项研究中，利用一个旋转的微腔对耗散性曲线玻色子进行了非互易性控制。这里的非互易性是由于萨格纳克-菲佐光学拖曳效应，它为沿谐振器旋转方向传播的光和沿相反方向传播的光产生不同的孤子状态。这一结果为实现基于孤子的光隔离器和单向孤子通信提供了一条充满希望的道路。

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本文从理论上研究了在诱导拉曼散射和高阶色散的影响下，硅微腔中呼吸暗脉冲和拉曼克尔梳的产生。暗脉冲只存在于与拉曼增益线宽相比具有相对较大FSR的微腔中。高阶色散引起的暗脉冲主要取决于三阶色散系数的振幅和符号，其特性也受到拉曼辅助的四波混合过程的影响。对其存在的了解将有助于更好地理解与表现出正常色散的微腔中的拉曼克尔梳子形成有关的不稳定性，并在实际应用中避免这些不稳定性。此外，通过色散波产生的宽带MIR微梳允许在正常色散占主导地位的平台上更自由地制造谐振器和获取频率梳。

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铌酸锂（LN）具有较大的二阶和三阶非线性光学系数，已被应用于各种场合。然而，拉曼效应和其他非线性光学效应在LN中的相互作用还没有得到很好的研究。在本文中，拉曼效应被评估为基于LN的微腔。由非线性光学效应产生的光 Kercombs，并评估了拉曼效应对光 Kercomb 产生的影响。

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光子晶体激光器（或光子晶体表面发射激光器（PCSEL））具有二维排列的增益部分和损耗部分，其中损耗部分由可饱和吸收器组成，它能以低成本和紧凑性实现高峰值功率（几十到几百瓦或更多）的短脉冲操作，而这是传统半导体激光器难以做到的。PCSEL））被提出。考虑到载流子和光子之间的相互作用，对PCSEL的增益和损耗行为进行了分析和设计，并证明该结构能够在实践中实现稳定、高峰值功率的短脉冲操作。

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交钥匙孤子，只需施加电流就能产生一个孤子梳，去年在《自然》杂志上报道时引起了很大的轰动。通过将一个微型光学谐振器直接耦合到半导体激光器上并诱导自射锁定，激光器被自动重新调谐，不需要复杂的机制来控制激光器的波长。通过在同一衬底上形成半导体激光器和氮化硅谐振器（之前是在不同的芯片上形成的），该论文成功地进一步整合了交钥匙孤子，使其更接近于作为多波长光源的实际应用。

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基于WGM微腔的光频梳在WDM传输系统中获得高频谱和高能量效率方面具有巨大的潜力。然而，对二氧化硅微球的通信应用的研究却很少。本文对带有二氧化硅微球的200GHz光频率梳进行了数值研究和优化，并对其在四通道波分复用传输系统中的实施进行了模拟。

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偏振控制是一项非常重要的技术，有许多可能的应用。然而，现有的偏振光学器件只能在单一的横向平面上操纵偏振。本文提出了一种新型的元表面，它与入射偏振无关，并沿传播方向给出了一个任意的偏振响应。这种技术允许在设计元面时有更大的自由度，并可能扩大元面在更多情况下的使用。

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用液体制造光学器件作为一个迷人的研究领域引起了广泛的关注。由于液体的固有特性，通过可重新配置的形状控制对这种光学设备进行频率调整被认为是困难的。本文采用喷墨方法制造了一个完全由水溶液表面的液体组成的WGM微激光器，并利用表面活性剂控制水溶液和WGM微激光器之间的表面张力，在保持可重新配置的几何形状的同时，成功地调整了发光的频率。这项技术也被用于感应水溶性有机化合物。该成果也有望应用于微观层面的流体传感和生物传感。

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量子计算机可以进行某些被认为对经典计算机来说过于笨重的计算。玻色子采样就是这样一种计算，在这项研究中，通过将50个不可识别的单模挤压态输入到一个具有全连通性和随机矩阵的100模超低损耗干涉仪中，并使用100个高效单光子探测器进行采样。输出状态空间的维度为10^30，采样率比使用最先进的超级计算机快10^14，其结果是输出状态空间为10^30。

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具有例外点（EPO）的非热力系统有可能在各种领域诱发许多奇特的现象，从光子学、声学、光学、电子学到原子物理学。本文介绍了一个带有耦合光学参数振荡器（OPO）的非赫米特系统，并强调了它与传统非赫米特系统相比的优势，后者取决于激光的增益和损耗。特别是，显示了由于两个耦合的OPO造成的光谱奇偶性的破坏，并提出了它们的退化和非退化操作之间的EP。

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在一个微型光学谐振器中通过诱导布里渊散射产生布里渊激光，并在同一谐振器中使用布里渊激光作为激发光产生耗散性克尔孤子。
在这种技术中，输入的光相对于共振频率是蓝调的，而布里渊激光可以产生红调的，这样，通过激光压电的简单波长扫描就可以获得一个单一的孤子。此外，由于产生的布里渊激光的超窄线宽和低噪声特性，观察到的孤子显示出狭窄的梳状线和稳定的重复率。

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第五代（5G）无线接入网络在数据率、功耗和带宽方面有望获得更好的性能，这对5G中的无源光网络（PON）也不例外。
这项研究展示了利用垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的增益开关产生的光频率梳子同时传输数据和时钟信号的无误差。这是为了应用于下一代的波分复用无源光网络系统（WDM-PON）。在未来的WDM-PONs中，需要增加信道容量和严格的延迟监控，本研究的结果表明，基于VCSEL的光频率梳可以作为一种光源，实现简单和节能的网络。

演示文稿 :

由等间隔的时间脉冲组成的孤子晶体是实现超高重复率的一种有效手段。本文研究了在非线性模式耦合存在的情况下产生孤子晶体的问题。研究表明，在适当的波矢失配和非线性耦合系数条件下，可以可靠地实现完美孤子晶体。

演示文稿 :

在这项研究中，为硅光子细线波导提出了一种具有大模式尺寸的新型光纤尖端边缘耦合器方法。边缘耦合器结构是一个由多个氮化硅层嵌入SiO2上覆层、一个弯曲的波导和两个点尺寸转换器（SSC）部分组成的复用结构。边缘耦合器是为SMF-28光纤设计的，在1550nm的波长下，模场直径（MFD）为8.2μm，总耦合率为90%。

自然》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. Hundal.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

演示文稿 :

向实用量子计算的迈进导致了用于运行量子算法的可编程机器的激增。本文介绍了一个使用集成纳米光子技术来执行多光子量子电路的系统。

演示文稿 :

当微型光学谐振器上产生的孤子组合被光电探测器检测到时，可以产生几十到几百GHz的射频信号，这取决于重复率。这种射频信号显示出优于信号发生器的相位噪声特性，因此有望成为下一代的射频信号源。在本文中，通过数值计算和经验实验阐明了相位噪声的因素，以实现更高的性能。

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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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