In Vivo Assessment of Cold Adaptation in Insect Larvae by Magnetic Resonance Imaging and Magnetic Resonance Spectroscopy

Background Temperatures below the freezing point of water and the ensuing ice crystal formation pose serious challenges to cell structure and function. Consequently, species living in seasonally cold environments have evolved a multitude of strategies to reorganize their cellular architecture and metabolism, and the underlying mechanisms are crucial to our understanding of life. In multicellular organisms, and poikilotherm animals in particular, our knowledge about these processes is almost exclusively due to invasive studies, thereby limiting the range of conclusions that can be drawn about intact living systems. Methodology Given that non-destructive techniques like 1H Magnetic Resonance (MR) imaging and spectroscopy have proven useful for in vivo investigations of a wide range of biological systems, we aimed at evaluating their potential to observe cold adaptations in living insect larvae. Specifically, we chose two cold-hardy insect species that frequently serve as cryobiological model systems–the freeze-avoiding gall moth Epiblema scudderiana and the freeze-tolerant gall fly Eurosta solidaginis. Results In vivo MR images were acquired from autumn-collected larvae at temperatures between 0°C and about -70°C and at spatial resolutions down to 27 µm. These images revealed three-dimensional (3D) larval anatomy at a level of detail currently not in reach of other in vivo techniques. Furthermore, they allowed visualization of the 3D distribution of the remaining liquid water and of the endogenous cryoprotectants at subzero temperatures, and temperature-weighted images of these distributions could be derived. Finally, individual fat body cells and their nuclei could be identified in intact frozen Eurosta larvae. Conclusions These findings suggest that high resolution MR techniques provide for interesting methodological options in comparative cryobiological investigations, especially in vivo

Caught in the Middle: How and When Psychological Contract Breach by Subordinates Relates to Weekly Emotional Exhaustion of Supervisors

In psychological contract research, the side of the supervisor is strongly underexposed. However, supervisors are responsible for maintaining relationships with both their subordinates and senior management and are likely to be influenced by events unfolding in these relationships. In this study, we state that supervisor well-being may be affected by subordinates who fail to meet their obligations. This study adds to psychological contract research by developing an understanding of how and when subordinate psychological contract break (PCB) is associated with supervisor emotional exhaustion. Through a weekly diary survey among 56 Dutch supervisors, we test hypotheses about the relationships between subordinate PCB and the emotional exhaustion of the supervisor, the mediating role of perceptions of performance pressure by the supervisor in this relationship, and the moderating role of i-deals between the supervisor and senior management. Multilevel analyses support the first two hypotheses, but contradictory to our expectations show that the positive association between subordinate PCB and the emotional exhaustion of the supervisor is strengthened when the supervisor has high levels of i-deals with senior management. We discuss the findings in relation to their contribution to psychological contract theory

Ολοκληρωμένα κυκλώματα φωτονικής και πλασμονικής για εφαρμογές διασυνδέσεων

Living in the era of “BIG DATA” and Internet-Of-Things (IoT) optical interconnecttechnologies have been introduced as essential technological workhorse in scaling up thebandwidth of optical communications across several segments of networks with variousreach, spanning from inter-and intra- Data-Center (DC), rack-to-rack, board-to-board tochip-to-chip communication links. Photonic integration technologies employing SiliconPhotonics and Plasmonics continue to evolve with the prospect of revolutionizing futureoptical interconnects for multidisciplinary applications, by building up powerfulPhotonic-Integrated-Circuits (PICs), yet leveraging the existing CMOS infrastructures.The main research contributions of this thesis revolved around the development of novelsilicon photonic and plasmonic devices as well as circuits, addressing fundamentalrequirements imposed by optical interconnects for DCs and on-chip communications aswell as biosensing applications, complying with CMOS manufacturing standards andaiming at ultra-high performance.At first, a series of uni-directional and bi-directional fully etched Grating-Couplers(GCs) on 340 nm thick Si layer have been proposed aiming to face the challenge of 3Dintegrated Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser arrays on SOI substrates for futureActive-Optical-Cables. GCs designs that employ a 340 nm thick Si layer against otherapproaches that employ grating structures with ultra-fine feature sizes, customized Silayer thickness, thinned oxide buffers, a-Si overlays and more than one etching-stepskeeping the manufacturing complexity at high levels. By applying chirping andapodization techniques based on “meta-heuristic algorithms”, the experimental couplinglosses for a uni-directional, fully etched, apodized and TM operating GC reached 4.8 dBat 1547 nm. Going one step further and taking into account an almost unmodified 0.35μm CMOS Back-End-Of-Line process along with its dielectric stack, bi-directionalSWGCs (Sub-Wavelength Grating Couplers) for TE or TM polarization have beentheoretically proposed exhibiting sub-dB coupling loss values with high immunity tooptical back-reflections and increased alignment tolerance. Sub-wavelength engineeringbased on grating nanostructures has been incorporated for the first time in a bidirectionalGC layout in view of flip-chip bonded VCSEL arrays on SOI.Moving far deeper into the development of photonic integration technologies, aplasmo-photonic waveguide platform is presented, merging Si3N4 photonics with nobleand CMOS Surface-Plasmon-Polariton (SPP) waveguides in view of optical interconnectapplications for DCs and biosensing. More specifically, the co-integration of Si3N4 photonics with gold based slot and stripe SPP waveguides for biosensing applications,relied on butt and vertical directionally coupled Si3N4-to-plasmonic interfaces, thatdemonstrated experimental insertion losses around 2.5 dB in aqueous environment at1550 nm. The proposed interfaces facilitated the excitation of SPP modes on-chipwithout using bulk optics. Si3N4 photonics have been employed instead of Si, in anattempt to exploit their lower propagation losses and manufacturing cost. Finally, twotypes of plasmo-photonic waveguides incorporating stripe and slot based SPPwaveguides, have been demonstrated benchmarking their performance characteristicswith the prospect of being the sensing transducers of interferometric sensors. Followingthe successful co-integration of gold based SPP waveguides on Si3N4 platform, world’sfirst plasmo-photonic platform, merging Si3N4 photonics and Al based SPP waveguidesat telecom wavelengths using CMOS processes is demonstrated. The feasibility of cointegrating Al plasmonic waveguides with Si3N4 photonics employing fully CMOScompliant materials and processes has been demonstrated, by comparing theperformance characteristic of single mode Al SPP waveguides after being fabricatedusing two different fabrication processes. SPP propagation in air and aqueousenvironment has been also demonstrated with an Lspp of 64 μm in air at 1550 nm, whichis the highest reported so far among all the single mode Al based SPP counterparts.Finally, world’s first data traffic at 25 Gb/s over a CMOS SPP waveguide is alsopresented. The signal integrity characteristics of the Al SPP waveguide have beenvalidated through BER measurements showing error free operation with negligiblepower penalty. The proposed CMOS compatible plasmo-photonic platform, using Al asthe plasmonic material of choice due to its good balance between propagation losses anddurability to liquid claddings, revealed strong exploitation potential towardsrevolutionizing optical interconnects for both on-chip communications and biosensingapplications.Διανύοντας την εποχή των «BIG DATA» και του «Internet-Of-Things» η τεχνολογίαοπτικών διασυνδέσεων διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην επεκτασιμότητα τουδιαθέσιμου εύρους ζώνης των οπτικών επικοινωνιών στα διάφορα τμήματα δικτύωνεπικοινωνίας και καναλιών ποικίλης έκτασης όπως ικρίωμα-προς-ικρίωμα, πλακέτα-προς-πλακέτα και πλινθίο-προς-πλινθίο. Στο πλαίσιο, αυτό οι φωτονικές τεχνολογίεςολοκλήρωσης εξελίσσονται συνεχόμενα με αυξανόμενος ρυθμούς χρησιμοποιώνταςτεχνολογίες πυριτίου και πλασμονίων με απώτερο στόχο την ριζική βελτιστοποίηση τωνοπτικών διασυνδέσεων για διάφορες εφαρμογές, παρέχοντας ολοκληρωμένα φωτονικάκυκλώματα συμβατά με τα κατασκευαστικά πρότυπα της τεχνολογίας CMOS. Η έρευναπου πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, επικεντρώνεταιστην ανάπτυξη καινοτόμων φωτονικών και πλασμονικών διατάξεων καθώς και κυκλωμάτωνλαμβάνοντας υπόψιν προϋποθέσεις και ανάγκες οπτικών διασυνδέσεων κυρίως για εφαρμογέςοπτικών επικοινωνιών σε «Κέντρα Δεδομένων» και σε επίπεδο πλινθίου καθώς επίσης και σεεφαρμογές βιοαισθητήρων. Όλες οι προτεινόμενες διατάξεις και κυκλώματα στοχεύουν σευψηλές αποδόσεις καθώς και στην συμβατότητά τους με τα κατασκευαστικά πρότυπα τηςτεχνολογίας CMOS.Στην αρχή της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται μια σειρά μονοκατευθυντικών αλλάκαι αμφίδρομων περιθλαστικών συζευκτών συστοιχίας κυματοδηγού σε στρώμα πυριτίουύψους 340 nm, με στόχο την επίλυση του προβλήματος της σύζευξης του φωτός απόδιατάξεις λέιζερ κατακόρυφης-κοιλότητας-επιφανειακής-εκπομπής (VCSEL) σευποστρώματα πυριτίου-σε-μονωτή χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες μεθόδους ολοκλήρωσηςγια μελλοντικά ενεργά οπτικά καλώδια. Η σχεδίαση των περιθλαστικών συζευκτών λαμβάνειυπόψιν ένα στρώμα πυριτίου ύψους 340 nm έναντι άλλων προσεγγίσεων που χρησιμοποιούνδομές με εξαιρετικά μικρά δομικά χαρακτηριστικά, προσαρμοσμένα ύψη στρώματοςπυριτίου, επικαλύψεις άμορφου-πυριτίου (a-Si) και περισσότερα από ένα επίπεδα χάραξης.Με την εφαρμογή τεχνικών «τετερίσματος» και «πλήρους απεριοδικής δομής» βασισμένωνσε "μετα- ευριστικούς αλγορίθμους", οι πειραματικές απώλειες σύζευξης για έναμονοκατευθυνικό συζεύκτη, μονής χάραξης, πλήρους απεριοδικής δομής και εγκάρσιαςμαγνητικής πόλωσης (ΤΜ) έφτασαν τα 4.8 dB στα 1547 nm. Προχωρώντας ένα βήμαπαραπέρα και λαμβάνοντας υπόψη ένα σχεδόν αμετάβλητο κατασκευαστικό πρότυπο 0.35μm CMOS Back-End-of-Line μαζί με τη διηλεκτρική του στοίβα, δύο αμφίδρομοισυζεύκτες με δομικά χαρακτηριστικά μικρότερα του μήκους κύματος κατά μήκος και κατάπλάτος της δομής, για εγκάρσια ηλεκτρική (ΤΕ) ή μαγνητική (ΤΜ) πόλωση, προτείνονται θεωρητικά με τιμές απώλειας σύζευξης μικρότερες του ενός dB επιδεικνύοντας υψηλή ανοχήσε οπτικές ανακλάσεις και σφάλματα ευθυγράμμισης. Η σχεδίαση αμφίδρομων συζευκτώνβασιζόμενη στην μέθοδο «δομικών χαρακτηριστικών μικρότερων του μήκους κύματος»ενσωματώνεται για πρώτη φορά σε συζεύκτες αμφίδρομης διάταξης ενόψει τηςτρισδιάστατης ολοκλήρωσης συστοιχιών VCSEL σε υποστρώματα πυριτίου-σε-μονωτή.Προχωρώντας πολύ πιο βαθιά στην ανάπτυξη των τεχνολογιών φωτονικής ολοκλήρωσης,παρουσιάζεται μια «πλασμο-φωτονική» πλατφόρμα κυματοδηγού, που συνδυάζει τηφωτονικούς κυματοδηγούς νιτριδίου-του-πυριτίου (Si3N4) με CMOS πλασμονικούςκυματοδηγούς (Surface-Plasmon-Polariton-(SPP)), ενόψει εφαρμογών οπτικώνδιασυνδέσεων για «Κέντρα-Δεδομένων» και βιοαισθητήρων. Συγκεκριμένα, η συνένωση τηςφωτονικής Si3N4 με πλασμονικούς SPP κυματοδηγούς σχισμής και λωρίδας για εφαρμογέςβιοαισθητήρων βασίστηκε σε «πλάσμο-φωτονικές» διεπαφές για από άκρη-σε-άκρη καικατακόρυφα σχήματα σύζευξης, οι πειραματικές απώλειες των οποίων κυμαίνονται περίπουστα 2.5 dB για υδάτινα περιβλήματα κυματοδηγού στα 1550 nm . Οι προτεινόμενεςδιεπαφές διευκολύνουν τη διέγερση πλασμονικών ρυθμών κυματοδήγησης σε επίπεδοπλινθίου χωρίς τη χρήση ογκωδών οπτικών συστημάτων. Μετά την επιτυχή συνένωση τωνκυματοδηγών SPP με βάση το χρυσό με φωτονικούς κυματοδηγούς πλατφόρμας Si3N4,παρουσιάζεται η πρώτη «πλάσμο-φωτονική» πλατφόρμα παγκοσμίως, συνενώνονταςφωτονικούς Si3N4 και πλασμονικούς SPP κυματοδηγούς πλήρως συμβατούς με τηντεχνολογία CMOS σε τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεταιη αποτελεσματική συνένωση κυματοδηγών αλουμίνιου (Al) με φωτονικούς Si3N4ακολουθώντας διεργασίες CMOS και συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά απόδοσής τουςσυγκρίνοντας δύο διαφορετικές διεργασίες κατασκευής. Η διάδοση του πλασμονικούρυθμού στον αέρα αλλά και υπό την παρουσία υδάτινου περιβλήματος, κατέδειξε μήκηπλασμονικής κυματοδήγησης της τάξης των 64 μm στον αέρα στα 1550 nm, το οποίο είναιτο υψηλότερο μέχρι στιγμής σε όλους τους ομολόγους πλασμονικούς κυματοδηγούς πουβασίζονται σε αλουμίνιο. Τέλος, παρουσιάζεται επίσης η πρώτη μετάδοση δεδομένωνπαγκοσμίως στα 25 Gb / s μέσω ενός CMOS πλασμονικού κυματοδηγού. Τα ποιοτικάχαρακτηριστικά μετάδοσης δεδομένων επικυρωθήκαν μέσω μετρήσεων-ρυθμού-σφαλμάτων(BER) που δείχνουν λειτουργία χωρίς σφάλματα με αμελητέα ποινή ισχύος

Ultra-compact single-arm interferometric plasmonic sensor co-integrated on a TiO2 photonic waveguide platform

International audienc

A silicon photonic coherent neuron with 10GMAC/sec processing line-rate

We demonstrate a novel coherent Si-Pho neuron with 10Gbaud on-chip input-data vector generation capabilities. Its performance as a hidden layer within a neural network has been experimentally validated for the MNIST data-set, yielding 96.19% accuracy

Neuromorphic silicon photonics and hardware-aware deep learning for high-speed inference

The relentless growth of Artificial Intelligence (AI) workloads has fueled the drive towards non-Von Neuman architectures and custom computing hardware. Neuromorphic photonic engines aspire to synergize the low-power and high-bandwidth credentials of light-based deployments with novel architectures, towards surpassing the computing performance of their electronic counterparts. In this paper, we review recent progress in integrated photonic neuromorphic architectures and analyze the architectural and photonic hardware-based factors that limit their performance. Subsequently, we present our approach towards transforming silicon coherent neuromorphic layouts into high-speed and high-accuracy Deep Learning (DL) engines by combining robust architectures with hardware-aware DL training. Circuit robustness is ensured through a crossbar layout that circumvents insertion loss and fidelity constraints of state-of-the-art linear optical designs. Concurrently, we employ DL training models adapted to the underlying photonic hardware, incorporating noise- and bandwidth-limitations together with the supported activation function directly into Neural Network (NN) training. We validate experimentally the high-speed and high-accuracy advantages of hardware-aware DL models when combined with robust architectures through a SiPho prototype implementing a single column of a 4:4 photonic crossbar. This was utilized as the pen-ultimate hidden layer of a NN, revealing up to 5.93% accuracy improvement at 5GMAC/sec/axon when noise-aware training is enforced and allowing accuracies of 99.15% and 79.8% for the MNIST and CIFAR-10 classification tasks. Channel-aware training was then demonstrated by integrating the frequency response of the photonic hardware in NN training, with its experimental validation with the MNIST dataset revealing an accuracy increase of 12.93% at a record-high rate of 25GMAC/sec/axon

Unbiased Plasmonic-Assisted Integrated Graphene Photodetectors.

Photonic integrated circuits (PICs) for next-generation optical communication interconnects and all-optical signal processing require efficient (∼A/W) and fast (≥25 Gbs-1) light detection at low (<pJbit-1) power consumption, in devices compatible with Si processing, so that the monolithic integration of electro-optical materials and electronics can be achieved consistently at the wafer scale. Graphene-based photodetectors can meet these criteria, thanks to their broadband absorption, ultra-high mobility, ultra-fast electron interactions, and strong photothermoelectric effect. High responsivities (∼ 1 A/W), however, have only been demonstrated in biased configurations, which introduce dark current, noise, and power consumption, while unbiased schemes, with low noise and zero consumption, have remained in the ∼ 0.1 A/W regime. Here, we consider the unbiased asymmetric configuration and show that optimized plasmonic enhanced devices can reach for both transverse-electric and transverse-magnetic modes (at λ = 1550 nm), ∼A/W responsivity, and ∼ 100 GHz operation speed at zero power consumption. We validate the model and material parameters by simulating experimental devices and derive analytical expressions for the responsivity. Our comprehensive modeling paves the way for efficient, fast, and versatile optical detection in PICs with zero power consumption