In this Letter, we propose and demonstrate a high-speed and power-efficient thermo-optic switch using an adiabatic bend with a directly integrated silicon heater to minimize the heat capacity and therein maximize the performance of the thermo-optic switch. A rapid, τ=2.4 μs thermal time constant and a low electrical power consumption of P(π)=12.7 mW/π-phase shift were demonstrated representing a P(π)τ product of only 30.5 mW·μs in a compact device with a phase shifter of only ~10 μm long.

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.