Abstract This article reviews recent progress leading to the generation of optical vortex beams. After introducing the basics of optical vortex beams and their promising applications, we summarized different approaches for optical vortex generation by discrete components and laser cavities. We place particular emphasis on the recent development of vortex generation by the planar phase plates, which are able to engineer a spiral phasefront via dynamic or geometric phase in nanoscale, and highlight the independent operation of these two different phases which leads to a multifunctional optical vortex beam generation and independent spin-orbit interaction. We also introduced the recent progress on vortex lasing, including vortex beam generation from the output of bulk lasers by modification of conventional laser cavities with phase elements and from integrated on-chip microlasers. Similar approaches are also applied to generate fractional vortex beams carrying fractional topological charge. The advanced technology and approaches on design and nanofabrications enable multiple vortex beams generation from a single device via multiplexing, multicasting, and vortex array, open up opportunities for applications on data processing, information encoding/decoding, communication and parallel data processing, and micromanipulations.

The concept of optical bound states in the continuum (BICs) currently drives the field of dielectric resonant nanophotonics, providing an important physical mechanism for engineering high-quality (high-Q) optical resonances in high-index dielectric nanoparticles and structured dielectric metasurfaces. For structured metallic metasurfaces, realization of BICs remains a challenge associated with strong dissipative losses of plasmonic materials. Here, we suggest and realize experimentally anisotropic plasmonic metasurfaces supporting high-Q resonances governed by quasi-BIC collective resonant modes. Our metasurfaces are composed of arrays of vertically oriented double-pillar meta-molecules covered by a thin layer of gold. We engineer quasi-BIC modes and observe experimentally sharp resonances in mid-IR reflectance spectra. Our work suggests a direct route to boost the resonant field enhancement in plasmonic metasurfaces via combining a small effective mode volume of plasmonic systems with engineered high-Q resonances provided by the BIC physics, with multiple applications to enhance light-matter interaction for nano-optics and quantum photonics.

We demonstrate enhanced four-wave mixing (FWM) in doped silica waveguides integrated with graphene oxide (GO) layers. Owing to strong mode overlap between the integrated waveguides and GO films that have a high Kerr nonlinearity and low loss, the FWM efficiency of the hybrid integrated waveguides is significantly improved. We perform FWM measurements for different pump powers, wavelength detuning, GO coating lengths, and number of GO layers. Our experimental results show good agreement with theory, achieving up to ~9.5-dB enhancement in the FWM conversion efficiency for a 1.5-cm-long waveguide integrated with 2 layers of GO. We show theoretically that for different waveguide geometries an enhancement in FWM efficiency of ~ 20 dB can be obtained in the doped silica waveguides, and more than 30 dB in silicon nanowires and slot waveguides. This demonstrates the effectiveness of introducing GO films into integrated photonic devices in order to enhance the performance of nonlinear optical processes.

Abstract Layered 2D graphene oxide (GO) films are integrated with silicon nitride (SiN) waveguides to experimentally demonstrate an enhanced Kerr nonlinearity via four‐wave mixing (FWM). SiN waveguides with both uniformly coated and patterned GO films are fabricated based on a transfer‐free, layer‐by‐layer GO coating method along with standard photolithography and lift‐off processes, yielding precise control of the film thickness, placement, and coating length. Detailed FWM measurements are carried out for the fabricated devices with different numbers of GO layers and at different pump powers, achieving up to ≈7.3 dB improvement in the FWM conversion efficiency for an uniformly coated device with one layer of GO and ≈9.1 dB for a patterned device with five layers of GO. A detailed analysis of the influence of pattern length and position on the FWM performance is performed. The dependence of GO's third‐order nonlinearity on layer number and pump power is also extracted, revealing interesting physical insights about the layered 2D GO films. Finally, an enhancement is obtained in the effective nonlinear parameter of the hybrid waveguides by over a factor of 100 relative to bare SiN waveguide. These results demonstrate the high nonlinear optical performance of SiN waveguides integrated with layered 2D GO films.

Abstract Integrated waveguide polarizers and polarization‐selective micro‐ring resonators (MRRs) incorporated with graphene oxide (GO) films are experimentally demonstrated. CMOS‐compatible doped silica waveguides and MRRs with both uniformly coated and patterned GO films are fabricated based on a large‐area, transfer‐free, layer‐by‐layer GO coating method that yields precise control of the film thickness. Photolithography and lift‐off processes are used to achieve photolithographic patterning of GO films with precise control of the placement and coating length. Detailed measurements are performed to characterize the performance of the devices versus GO film thickness and coating length as a function of polarization, wavelength and power. A high polarization dependent loss of ≈53.8 dB is achieved for the waveguide coated with 2‐mm‐long patterned GO films. It is found that intrinsic film material loss anisotropy dominates the performance for less than 20 layers whereas polarization‐dependent mode overlap dominates for thicker layers. For the MRRs, the GO coating length is reduced to 50 µm, yielding a ≈8.3 dB polarization extinction ratio between transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) resonances. These results offer interesting physical insights and trends of the layered GO films and demonstrate the effectiveness of introducing GO films into photonic‐integrated devices to realize high‐performance polarization selective components.

The physics of bound states in the continuum (BICs) allows the design and demonstration of optical resonant structures with large values of the quality factor (Q factor) by employing dielectric structures with low losses. However, BIC is a general wave phenomenon that should be observed in many systems, including the metal-dielectric structures supporting surface plasmon polaritons where optical resonances are hindered by losses. Here we suggest and develop a comprehensive strategy to achieve high-Q resonances in plasmonic metasurfaces by effectively tailoring the resonant modes from local to nonlocal regimes, thus transitioning from quasi-isolated localized resonances to extended resonant modes involving strong interaction among neighboring structure metaunits.

Abstract Meta-lenses composed of artificial meta-atoms have stimulated substantial interest due to their compact and flexible wavefront shaping capabilities, outperforming bulk optical devices. The operating bandwidth is a critical factor determining the meta-lens’ performance across various wavelengths. Meta-lenses that operate in a narrowband manner relying on nonlocal effects can effectively reduce disturbance and crosstalk from non-resonant wavelengths, making them well-suitable for specialized applications such as nonlinear generation and augmented reality/virtual reality display. However, nonlocal meta-lenses require striking a balance between local phase manipulation and nonlocal resonance excitation, which involves trade-offs among factors like quality-factor, efficiency, manipulation dimensions, and footprint. In this work, we experimentally demonstrate the nonlocal meta-lens featuring Huygens’ bound states in the continuum (BICs) and its near-infrared imaging application. All-dielectric integrated-resonant unit is particularly optimized to efficiently induce both the quasi-BIC and generalized Kerker effect, while ensuring the rotation-angle robustness for generating geometric phase. The experimental results show that the single-layer nonlocal Huygens’ meta-lens possesses a high quality-factor of 104 and achieves a transmission polarization conversion efficiency of 55%, exceeding the theoretical limit of 25%. The wavelength-selective two-dimensional focusing and imaging are demonstrated as well. This work will pave the way for efficient nonlocal wavefront shaping and meta-devices.

Abstract The question of whether repeated studies bring more variability or less to our brain is a critical problem before scientist continue their further study about memory. In the past ten years, a series of neural pattern representation studies have found that under the condition of spaced learning, the neural pattern similarity(NPS) between two encoding stages increases, and the researchers claimed that these results support the idea that repeated studies bring more similarity along with repetition in our brain, which is conflicted with the encoding variability theory(Feng et al., 2019; Y. Lu et al., 2015; Xue et al., 2010, 2011a). However, we doubt this viewpoint because we think the difference between encoding processing cannot be used to represent the difference between memory states. In current experiments, we used a new experimental paradigm with a longer lag and elaboration learning task to test the encoding variability theory. By comparing the difference between neural pattern dissimilarity(NPDS1)(spaced learning - one-time learning) and NPDS2(massed learning - one-time learning) in the final test (retrieval) stage, we get the result that the NPDS1 was significantly greater than NPDS2 in the parietal lobe of 400ms and the right frontal lobe of 600ms, which is more fitting to the encoding variability mechanism. However, we believe that there is no contradiction between these two experimental evidences. On the contrary, we think they reflect different aspects of the process of spaced learning. We propose that the deficient processing in encoding stage exactly lead to less encoding variability in our memory. More importantly, this result gives us reason to double the paper published ten years ago in Science, which claimed repetition brings greater neural pattern similarity.