Nanoscale modal confinement is known to radically enhance the effect of intrinsic Kerr and Raman nonlinearities within nanophotonic silicon waveguides. By contrast, stimulated Brillouin-scattering nonlinearities, which involve coherent coupling between guided photon and phonon modes, are stifled in conventional nanophotonics, preventing the realization of a host of Brillouin-based signal-processing technologies in silicon. Here we demonstrate stimulated Brillouin scattering in silicon waveguides, for the first time, through a new class of hybrid photonic-phononic waveguides. Tailorable travelling-wave forward-stimulated Brillouin scattering is realized-with over 1,000 times larger nonlinearity than reported in previous systems-yielding strong Brillouin coupling to phonons from 1 to 18 GHz. Experiments show that radiation pressures, produced by subwavelength modal confinement, yield enhancement of Brillouin nonlinearity beyond those of material nonlinearity alone. In addition, such enhanced and wideband coherent phonon emission paves the way towards the hybridization of silicon photonics, microelectromechanical systems and CMOS signal-processing technologies on chip.

We demonstrate an ultra-high-bandwidth Mach-Zehnder electro-optic modulator (EOM), based on foundry-fabricated silicon (Si) photonics, made using conventional lithography and wafer-scale fabrication, oxide-bonded at 200C to a lithium niobate (LN) thin film. Our design integrates silicon photonics light input/output and optical components, such as directional couplers and low-radius bends. No etching or patterning of the thin film LN is required. This hybrid Si-LN MZM achieves beyond 106 GHz 3-dB electrical modulation bandwidth, the highest of any silicon photonic or lithium niobate (phase) modulator.

We present a compact 1.3 × 4 μm2 Germanium waveguide photodiode, integrated in a CMOS compatible silicon photonics process flow. This photodiode has a best-in-class 3 dB cutoff frequency of 45 GHz, responsivity of 0.8 A/W and dark current of 3 nA. The low intrinsic capacitance of this device may enable the elimination of transimpedance amplifiers in future optical data communication receivers, creating ultra low power consumption optical communications.

The laser system is the most complex component of a light-pulse atom interferometer (LPAI), controlling frequencies and intensities of multiple laser beams to configure quantum gravity and inertial sensors. Its main functions include cold-atom generation, state preparation, state-selective detection, and generating a coherent two-photon process for the light-pulse sequence. To achieve substantial miniaturization and ruggedization, we integrate key laser system functions onto a photonic integrated circuit. Our study focuses on a high-performance silicon photonic suppressed-carrier single-sideband (SC-SSB) modulator at 1560 nanometers, capable of dynamic frequency shifting within the LPAI. By independently controlling radio frequency (RF) channels, we achieve 30-decibel carrier suppression and unprecedented 47.8-decibel sideband suppression at peak conversion efficiency of −6.846 decibels (20.7%). We investigate imbalances in both amplitudes and phases between the RF signals. Using this modulator, we demonstrate cold-atom generation, state-selective detection, and atom interferometer fringes to estimate gravitational acceleration, g ≈ 9.77 ± 0.01 meters per second squared, in a rubidium ( 87 Rb) atom system.

New strategies for converting signals between optical and microwave domains could play a pivotal role in advancing both classical and quantum technologies. Traditional approaches to optical-to-microwave transduction typically perturb or destroy the information encoded on intensity of the light field, eliminating the possibility for further processing or distribution of these signals. In this paper, we introduce an optical-to-microwave conversion method that allows for both detection and spectral analysis of microwave photonic signals without degradation of their information content. This functionality is demonstrated using an optomechanical waveguide integrated with a piezoelectric transducer. Efficient electromechanical and optomechanical coupling within this system permits bidirectional optical-to-microwave conversion with a quantum efficiency of up to -54.16 dB. Leveraging the preservation of the optical field envelope in intramodal Brillouin scattering, we demonstrate a multi-channel microwave photonic filter by transmitting an optical signal through a series of electro-optomechanical waveguide segments, each with distinct resonance frequencies. Such electro-optomechanical systems could offer flexible strategies for remote sensing, channelization, and spectrum analysis in microwave photonics.

We present a CMOS-fabricated optomechanical microdisk resonator with acoustoelectric gain for a 949 MHz mechanical mode. Applying +5V of DC bias results in a 9.5 dB increase in the optically-detected RF power of the microdisk.