期刊俱乐部2020｜田边光子结构组

期刊俱乐部

按年份（4-12月）划分

2020财政年度。

演示文稿 :

WGM谐振器具有手性对称性，在CW和CCW方向控制光输出是不容易的。在本文中，通过改变泵浦光的强度，利用对称性破坏开发了一个微激光源。在这里，通过实验实现了在CW方向上近160:1的选择率，这种稳健的、可重新配置的系统可以在未来作为一个新的平台使用。

演示文稿 :

由于光学光谱与微波或射频领域的频率等距，光学频率梳不仅被用来从微波参考中合成光学频率，而且还通过光学分频产生超低噪声微波。在这项研究中，通过结合两个频率梳：一个孤子微梳和一个半导体增益开关梳，展示了基于新型分频技术的低噪声微波生成。一个由正弦波电流驱动的半导体激光器和注入锁定的微腔孤子被用来将耗散孤子的光谱纯度锁定在微梳状重复频率的整数倍。增益开关的梳子输出密集的光谱，划分出孤子微梳的线距。由于其集成的潜力，这两个芯片级器件的集成为频率梳技术的广泛应用铺平了道路。

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最先进的基于微蜂窝的射频滤波器需要脉冲整形器，增加了系统成本、占地面积和复杂性。在这项工作中，我们展示了一个基于梳子的射频滤波器，它利用了孤子梳子，不需要额外的脉冲整形器。此外，许多微梳子状态（单单子梳、双单子梳和完美单子晶体）可以应用于轻松地重新配置射频滤波器。

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具有可饱和非线性的系统带来了线性系统所没有的各种现象。在这项研究中，从理论和实验上证明了添加到二氧化硅微腔中的Er离子的可饱和非线性（可饱和吸收和增益）。结果表明，对于低添加浓度，隔离模型与实验结果吻合得很好，可以作为分析高添加浓度情况下可饱和非线性的基本描述。然而，对于高添加浓度的情况，发现还必须考虑到Er离子的集束效应，以获得与实验数据的合理一致。因此，我们改变了离子浓度，并通过实验评估了可饱和的非线性。实验结果与理论高度一致，包括光学双稳态和非线性奇偶性时间对称性。这些结果表明了基于可饱和非线性的理论的其他应用的可能性，如光学双稳性和非线性奇偶性-时间对称性。

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长期控制锁模激光器的载波包络相位（CEP）是超快光学和精密测量等应用的一项重要技术。在本文中，通过使用一个结合了前馈方法的短期控制和反馈方法的长期控制的控制系统，成功地稳定了一个Er:Yb模式锁相激光器的CEP，精度小于14 mrad，持续时间超过75小时。控制系统的性能也针对外部环境的变化进行了评估。

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超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是目前近红外波长下领先的单光子计数技术，其效率超过901 TP2T，抖动<3 ps，复位时间为几ns，暗计数率低于Hz。然而，与超导过渡边缘传感器（TES）和微波力学电感探测器（MKID）不同，SNSPD缺乏光子数量分辨率。在本文中，用锥形传输线进行阻抗匹配，为SNSPD提供一个kΩ的负载阻抗而不锁存，同时以50Ω连接读出电子设备，使SNSPD的输出振幅对光子引起的热点数量敏感，并使光子数量更加实用。决议是可能的。

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神经网络等机器学习技术作为纳米结构逆向问题的有力工具引起了人们的关注。然而，由于纳米结构及其光学特性之间关系的复杂性，最优解往往不是唯一的，这可能导致算法的收敛问题。在本文中，一个名为混合密度网络的算法被用来分析这个问题，并阐明了它的作用。

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光车梳有可能成为波分复用（WDM）通信系统的一个重要组成部分，最近的实验证明了它们在几十Tbit/s的高速通信中的潜力。然而，芯片级梳状光源的输出功率通常低于传统的输出，需要额外的放大器，并影响到光信噪比（OSNR）。本文研究了梳状功率和光载噪比（OCNR）对WDM性能的影响。此外，利用孤子梳作为一个特别有趣的例子，研究了线对线功率变化对可实现的OSNR和传输容量的影响。这些可能有助于比较不同类型的梳状源，并在可实现的传输性能方面对其进行基准测试。

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由于微型光学谐振器的低模式体积和高Q值，非线性光学参数振荡在微型光学谐振器中是可能的。这些研究的一个重要方面是对相对谐振频率的控制。氮化硅谐振器的传统方法是通过改变环形谐振器的横截面积来调整全局谐振模式。当要引入竞争性的非线性过程时，这种方法可能不适合。提出了一个解决这个问题的方案，其中使用了多重选择性模式分割（MSMS）来调整目标谐振频率。

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可见光范围内的波长可调的微激光器在照明技术、显示和传感方面发挥着重要作用。然而，已知大多数波长可调的微激光器都是在多模模式下工作。在这项研究中，通过在一个WGM谐振器中加入一种在可见光区域具有增益的物质，获得了RGB发射。此外，通过耦合这些谐振器，开发了一个波长可调的单模激光器，只提取特定波长的波长。

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耗散型光标孤子提供了宽带相干、低噪音的频率梳和稳定的时间脉冲序列，并在光谱学、通信和计量学方面显示出巨大的应用潜力。呼吸孤子是一种特殊类型的耗散性曲线孤子，其脉冲宽度和峰值强度呈现周期性振荡。在这里，研究了氮化硅（Si3N4）微镜中的呼吸耗散曲线孤子，模拟和实验都表明，呼吸周期具有约兆赫兹（MHz）的不确定性。这种不稳定性是未来应用的一个主要障碍。通过对泵浦激光器施加一个调制信号，呼吸频率可以被注入锁定到调制频率上，并被调谐到几十兆赫以上，同时显著抑制频率噪声。我们的结果为控制微腔中的孤子动力学提供了一个次要的切入点，并为呼吸孤子的实际应用开辟了新的途径。

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在非线性光学效应中，诱导布里渊散射在固体材料中显示出最高的增益，并在波导中展示了先进的光子学能力。另一方面，通过利用气体的大压缩性，可以进一步提高诱导布里渊散射的效率。在本文中，一个在高压下充满气体的空心纤维被用来实现比固体硅纤维观察到的布里渊放大率高六倍以上。这项技术可以应用于任何波长段，这表明各种类型的光都可以在空心波导中被放大。此外，利用这一机制实现了低阈值布里渊光纤激光器和高性能分布式温度传感器，展示了空心纤维的新的潜在应用。

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近年来，微梳子已经能够达到1太赫兹的高重复率，这在许多领域具有优势，如波长复用、相干采样和自我参照。然而，由于光电二极管和电子器件的带宽有限，在这种重复率下的检测是困难的。本文报告了一种双梳状游标分频法（"双梳状游标分频法"）来解决这个问题。它使用一个自由运行的216GHz游标孤子，并对主孤子的重复频率从197GHz到995MHz进行采样和分割。这一演示放宽了微机重复频率检测的设备要求，并在光学时钟和微波光子学等各个领域得到了应用。

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尽管微梳子有望被用于各种应用，但它们的低能效和控制难度阻碍了它们在现实世界中的转移。在这里，通过将激光增益介质（铒离子）引入孤子微梳，在实验中实现了手性孤子、敏捷开关和可调谐双梳。通过调整铒的增益，可以产生多玻色子状态，从而扩展了独联体能力的制度。

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窃窃私语走廊模式（WGM）谐振器中的非线性过程的连续微调（波长的微调）仍处于起步阶段。通过扩展一个带有由铌酸锂晶体组成的嵌入式WGM谐振器的压电设备，实现了微调。这种技术的优点包括较小的分散性和比热微调更高的速度。在本文中，利用该技术实现了1微米附近泵浦光的连续无模跳微调，在28GHz范围内产生二次谐波，在4.5GHz范围内进行参数光学振荡。

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提出并通过实验证明，PT对称性可以在波长空间这个非空间参数中实现。设计了一个波长空间PT对称的OEO（光学微波振荡器）来产生高质量的微波信号。研究表明，与空间上的PT对称系统相比，消除空间重叠可以降低系统的复杂性并显著提高稳定性。

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使用圆偏振状态下的相干真空紫外光使观察瞬间现象成为可能，如电子的自旋状态和生物体的分子结构，并有望使人们发现以前从未见过的新现象和特征。然而，很难控制真空紫外线区域的光，而且一直很难产生相干的圆偏振脉冲光。本文介绍了一种简单的方法，通过将可见光区域的圆偏振飞秒激光照射到四倍旋转对称的光子晶体上，来转换真空紫外区域的圆偏振光。

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100GBd数据传输实验，调制方案为OOK和PAM4，用于硅-有机混合马赫-泽恩德调制器，相移插入损耗低至0.7dB，线路速率高达200Gbit/s。误码率低于7%的硬决定前向纠错（HD-FEC）阈值，从而使净数据率达到187Gbit/s。这是迄今为止用小于1毫米的硅光子马赫-泽安德调制器实现的最高PAM4数据率。

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快速的激光频率操作是光载波中锁相、频率稳定和稳定传输的先决条件。作为芯片级的频率梳状光源，索利通微梳已经在系统层面上得到了证明，但直到现在还没有在芯片上实现MHz工作频段的锁相。在这项研究中，使用单片集成的AlN执行器进行了高速孤子微梳理。

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电磁波诱导透明（EIT）是一种抑制不透明介质中光吸收的量子干涉效应，已经找到了广泛的应用，如慢速光的产生、光存储、频率转换和光量子存储器。在这项研究中，EIT是在一个不需要外部控制温度或光功率的新系统中实现的，通过控制光在谐振器中的传播方向。

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单晶氮化铝（AlN）具有强大的Pockels和Kerr非线性光学效应和非常大的带隙，是非线性光学领域中一个有吸引力的平台。本文首次通过光刻技术在蓝宝石上制作了在TE00模式下具有高Q值（2.1×10^6）的蚀刻好的集成AlN微腔：在1100至2150纳米范围内跨越近一个八度的Kerr梳子从TM00在功率为406毫瓦的模式下。由于高约束性能，一个高阶模式，即TE10模式，也能在316毫瓦的功率下激发出跨越1270-1850纳米的汽车梳。此外，在克尔梳的生成过程中，还观察到由于谐波生成而导致的频率转换为可见光。本研究为构建一个基于AlN的大规模、低成本的集成非线性平台带来了希望。

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近年来，研究已经使使用CMOS兼容的光子集成电路产生频率梳成为可能。然而，目前开发的孤子微梳一直难以用于微波光子学，因为它们的工作重复率远远超出了传统电子学的检测范围。在本文中，我们展示了一个在两个广泛使用的微波波段，即X波段（~10 GHz）和K波段（~20 GHz）工作的孤子微梳理。由低噪声光纤激光器产生的梳子产生的微波信号的相位噪声水平与现代电子微波振荡器相当。此外，如此低的孤子重复率对未来高密度波分复用信道的产生非常重要，这可能有多种应用。

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基于集成WGM谐振器的拉曼激光器已经实现了从电信到生物检测的许多应用。这些设备利用WGM谐振器的高Q值来补偿固有的低二氧化硅拉曼增益，使诱导拉曼散射激光在亚mW阈值下振荡。然而，要实现具有相同非线性光学效应的反斯托克斯拉曼散射激光器，二氧化硅的低拉曼增益导致了低振荡效率。在这项研究中，通过在谐振器中加入金属，该装置的性能得到了改善。因此，SRS的激光振荡效率提高了10倍以上，SARS的亚毫瓦阈值和效率也得到了改善。

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发光太阳能聚光器（LSC）是一种光子管理装置，可以收集、引导和集中太阳光到小范围内，使得然而，内在的光子损失通过所谓的在这项工作中，我们介绍了一种简单而低成本的在这项工作中，我们介绍了一种简单和低成本的方法来制造一个三维（3D）大孔光子晶体（PC）过滤器，作为一个高效的光子反射器，它可以被涂上我们证明，通过控制PC反射带以匹配QD发射器的发射曲线，可以使与传统的LSC相比，PC涂层LSC（PC-LSC）的光捕获效率可以从73.3%显著提高到95.1%。此外，我们还开发了一个考虑到PC反射器效应的模拟模型。实验和模拟结果表明，由PC反射器引起的LSC器件性能的提高随着增加事实上，模拟数据预测，外部量子效率（EQE）和浓度因子（C此外，模拟结果提供了对光子输出之间关系的深入了解。我们的研究为未来设计和制造具有增强光子的LSC器件提供了启示。通过新颖的、具有波长选择性的光子反射器来提高收集和集中的效率。

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近年来，对耗散性光子之间的相互作用和复用的研究一直很活跃。索子分子，其中不同的索子相互结合，对于研究索子之间的相互作用非常有用。在微型光学谐振器内形成的孤子分子只被观察到同核孤子分子，其中孤子以相对宽的间距（至少比孤子的宽度宽）因色散波而相互结合。例子包括多晶体和孤子晶体。
本文证实了异核孤子分子的形成，由于不同群速度的孤子之间的相互相位调制，孤子以比以前更窄的间距（大约一个孤子的宽度或更小）相互结合。异核孤子分子的光谱显示出与普通孤子不同的结构，有望在各个领域得到应用。

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山谷光子晶体（VPhC）是在光子集成电路（PIC）中实现拓扑保护的光波导的一个有吸引力的平台。拓扑波导中慢速光模式的实现可能导致PIC的进一步小型化和功能化。本文报告了一种在半导体板基VPhCs中实现拓扑慢光波导的方法。

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关于使用光子晶体的全光开关，已经有很多研究。硅和III-V族半导体（InGaAsP）经常被用作光子晶体，但在这项研究中，使用Si光子晶体和InAsP/InP纳米线进行切换，以利用两者的优势。

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证明了一个单一的暗脉冲卡康可以产生足够高的噪声比来传输1.84Pbit/s的数据。这是通过在37芯光纤上用32Gbaud、DP-QAM调制的223WDM实现的。

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近年来，通过不同的物理现象，微光谐振器中的频率微梳已经达到了接近激光频率梳的精度。然而，到目前为止，对动态现象的起源和微梳子的高功率稳定性的实时调查还没有完全实现。在这项研究中，阐明了微梳子从混沌状态到模式锁定的过渡动力学。此外，还提出了一个色散控制的谐振器，作为了解快速谐振器动态和实现高功率微梳的一个新平台。

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可饱和吸收器已被用于产生高速脉冲，半导体可饱和吸收镜（SESAMs）、石墨烯和碳纳米管已被广泛使用，但近年来新的可饱和吸收器已被开发出来。在本研究中，首次展示了使用四氧化三铁作为可饱和吸收体的锁模脉冲，并对其特性进行了测量。

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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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