Simulation analysis of the corneal transparency and scleral opacity

Professor Snow H. Tseng's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 曾雪峰教授

Abstract: By implementing the pseudospectral time-domain (PSTD) simulations of Maxwell’s equations, we rigorously investigate the transparency and opacity of human scleral and corneal tissues. We model light propagation through realistic representations of scleral and corneal nanoarchitecture and analyze the transmittance and spatial correlation in the near field. Simulation findings reveal differences in optical transparency between these tissues due to microscopic arrangements and polydispersity of the collagen fibrils.

Transmission through various thickness of scattering media

We model light propagation through scattering medium of various thicknesses in the near field. The light propagation is nearly unaltered when passing through the corneal geometry. However, light propagation in scleral geometry is severely randomized into all directions. It is evident that with increased thickness, the corneal geometry supports light penetration similar to that in vacuum, as opposed to the opacity of the scleral geometry.

论文题目：Plasmon-Phonon interaction and its application in Plasmonic Waveguide

姓名：Kuntal Barman（鲍康卓）   指导教授：黄建璋教授

摘要

Surface acoustic wave integrated plasmonic waveguides (SAWIPWs) are a relatively new class of devices that combine the unique properties of surface acoustic waves (SAWs) and hybrid plasmonic waveguides to achieve efficient and precise manipulation of light at the nanoscale. SAWIPWs have shown great promise for a wide range of applications, including sensing, imaging, and communication. In this work, we experimentally investigate different characteristics of SAW and its effect on propagating of surface plasmons. In this work, the first part is dedicated to understanding the microscopic view of phonon-plasmon interaction. Moreover, different parametric effects of acoustic phonons on localized surface plasmons are studied and analyzed through appropriate experiments. Theoretical simulations are performed to visualize the in-depth view of plasmonic changes with respect to excited acoustic phonons. Some other factors, like incident polarization, are also studied in relation to plasmon-phonon interaction. The enhancement in plasmonic signal is observed and further employed in a hybrid plasmonic waveguide. The effect of phonon-plasmon interaction, in contrast to the propagation of SPP, provides on-chip enhancement in plasmonic signal. This phenomenon is significant as it has the potential to improve the propagation length of plasmonic waveguides. Figure 1. Change of LSPR absorption with varying amplitude of SAW. Figure 2. Amplitude varying LSPR response with respect to different SAW resonant conditions.

— 资料提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、林珈庆 —

提高密钥生成速率有重大进展

由于使用自定义的14像素和16像素超导奈米线单光子侦测器，以及快速的量子密钥发送器，在一条10公里的光纤链路上已经实现了64 Mbits^-1和115.8 Mbits^-1的非常高的密钥生成速率。

过去30年来，量子密钥分发（QKD）的进展在通道距离和在通信网路中的有效实现方面都非常出色。例如：2017年透过墨子卫星实现的首次从太空到地球的量子通信^[1]；目前在中国上海和北京之间可用于商业用途的量子网络^[2]；欧洲第一个跨越三个国家的量子网络^[3]；以及2022年实现的光纤量子状态最长传送距离（约800公里）^[4]。此外，QKD已经在城市内和水下链路中进行探索和演示，扩大了其应用范围，适用于最多样化的环境。

然而，QKD技术的适用性和可扩展性受到多种因素的限制。对于当今最常用的技术，将密钥编码在单光子偏振、时间槽、频率或空间模式中的离散变量，QKD密钥生成速率受超导奈米线单光子侦测器（SNSPD）和读出电子组件性能的限制。此外，将这些QKD系统整合到现有的光学基础设施中，仍然是一个未解决的问题。事实上，将经典光通信与量子信号置于同一光纤中会对量子状态产生不利影响，并由于经典光与光纤材料的非线性交互作用，而限制了整个链路预算和密钥生成速率，产生噪声。

现在，根据发表在Nature Photonics中的文章，两个独立的研究团队使用自定义的多像素单光子侦测器，将密钥生成速率分别提高到115.8 Mbits^{-1 [5]}（足以使用一次性密钥方法对串流超高清（4K）视频进行加密）以及64 Mbits^-1[6]。

这两个团队都使用了自制的多像素超导奈米线单光子侦测器来实现令人印象深刻的速率（图1a）。我们注意到，相对于于InGaAs SPD和单像素SNSPD，多像素SNSPD在各种单光子侦测器中被认为是黄金标准，因为它们结合了高效率、低抖动和高计数率的尖端性能，可以将光信号计数在单光子水平上。自制的多像素SNSPD与标准配置的区别在于多个独立超导奈米线的特殊交错设计（图1b、c），这保证了灵敏区域的均匀照射和接近单位的单光子吸收。透过这种方式，最大程度地减小了恢复时间内两个侦测器检测同一像素上的机率。

在Fadri Grünenfelder及其同事的研究中，他们使用简化版本的时间槽BB84协议与假脱靶状态技术，展示了在一条长达10公里的光纤上达到64 Mbits^-1的密钥生成速率^[6]。能够实现这样的成就的关键是量子状态的快速传输速率和具有高达82％系统效率的14像素侦测器。发射器是一种发射随机相位的45 ps短脉冲的电信激光。时间槽编码是透过非对称Mach–Zehnder干涉仪和由可程序门阵列控制的基于光纤的强度调制器的组合进行的。在透过光纤传输后，量子状态会随机地在两个互不影响的基底（X或Z）中的一个进行测量。虽然Z基底通常被称为计算基底，用于交换密钥，但X基底用于安全参数。最终的密钥生成速率透过使用14像素超导侦测器在Z基底上进行测量以进行优化。实时信息对齐过程是透过FPGA和双向光学链路上的10 Gbits^-1的经典通道进行的。

Li及其同事利用16像素超导侦测器和偏振编码，展示了创纪录的高密钥生成速率，最高达115.8 Mbits^-1。他们还使用了一个积体光子电路来准备量子状态，从而减少了发射端的体积。在重复率为2.5 GHz的情况下，透过随机相位产生120 ps的光学电信脉冲；并耦合到硅光子芯片上，在热光调制器和载流子耗尽调制器的组合下，它们被准备成四种不同的偏振状态（图1a）。在经过超低损耗的光纤传输后，以及与Grünenfelder等人的研究类似，进行在两个互不影响的基底上进行投影后，Z基底透过2×8多像素超导侦测器进行测量，在1,550 nm时具有最大78％的效率。X基底则透过两个单像素超导侦测器进行测量。最后，不同侦测器的信号在进行后处理之前透过时间转换器进行收集。

Li等人和Grünenfelder等人所报导的实验清楚地证明，结合最先进的多像素单光子侦测器和快速QKD发射器，可以实现在10公里距离上超过60 Mbits^-1的密钥生成速率，为高速量子通信设置了重要的技术里程碑。此外，Li等人还展示了一个完全整合的发射器配置，符合大型通信系统在成本、尺寸和稳定性方面的要求^[5]。

一个重要的考虑因素是这两个实验都展示了实时管理大量数据的非平凡能力。虽然在物理设置方面取得了巨大进展，实现完全安全的QKD系统的能力仍然不足。筛选、错误修正和隐私放大的程序，通常会因数据负荷过重而减慢整个协议的速度。Li等人巧妙地使用了增强的级联调解算法（Cascade reconciliation algorithm）和混合基于杂凑函数的隐私放大算法（hash-based privacy amplification algorithm），这两种算法可以实现快速的后处理时间，而不会限制有效的密钥生成速率^[5]。

值得注意的是，这两个QKD实现都使用一个减弱的激光来产生不同的量子状态。一方面，这是一种已经得到广泛应用的技术，因为其实现简单（大多数商业离散变量系统都基于这种方法），另一方面，它可能会留下空间供侧面攻击或后门利用，因为存在多光子产生的非零概率。相反，确定性单光子源本质上保证了极低的多光子事件概率，并且有可能产生纠缠态，提供了另一层安全性，并允许半个或完全设备独立的QKD实现^[7]。Li等人和Grünenfelder等人的结果，有希望再加上使用固态中的确定性量子发射器的可能性（这些发射体现在也可以在室温下使用）^[8]，为实现完全可部署的量子互联网铺平了道路。