新闻网讯 10月30日，武汉光电国家研究中心陈林副教授与新加坡国立大学仇成伟教授、美国纽约城市大学Andrea Alù教授合作，在《物理评论快报》（PHYSICAL REVIEW LETTERS）发表最新研究进展“Hamiltonian Hopping for Efficient Chiral Mode Switching in Encircling Exceptional Points”。

在光学中实现模式的控制一直以来都是人们比较关注的话题，比如在光通信中不同的模式可以携带不同的信号，在激光器中单一的模式有助于提高输出光束的质量。近年来，和奇异点相关的物理现象引起了广泛的关注。相关的研究不仅具有基础理论意义，也具有应用潜力。在传统观念中，损耗往往是希望被尽量避免的，然而近期的研究发现，如果在耦合系统中精确地控制损耗参数，可以使系统处于一种称为“奇异点”的特殊状态。在奇异点处，原本支持多种模式的系统将收缩为仅支持单一模式。此外，通过控制系统结构参数缓慢环绕奇异点演变，可以产生新奇的非对称的模式传输现象。奇异点的引入使得在光学系统中实现非对称的模式转换得以实现，这意味着当某一光学模式分别沿着正方向和反方向入射奇异点光学系统后，出射的光学模式是不相同的。不过由于需要引入损耗，这类奇异点光学结构中光的能量被大幅衰减，导致传输效率降低，不利于相关功能器件的开发利用。

图1 低损耗环绕奇异点的理论机制

图2 实现高效非对称模式转换的硅基光波导结构

为了提高传输效率，陈林团队分析认为，非对称传输现象主要来源于不同耦合模式间的损耗差异，然而，所有耦合模式还将遭受一个对非对称传输没有贡献的固有损耗。为了消除该固有损耗，团队发现，当引入的损耗增大时，由于耦合失配，损耗将向其中一个耦合模式集中，而其它耦合模式的固有损耗反而会降低。不过，如果从不引入损耗的初始情形出发，缓慢变化到引入高损的情形，中间过程中仍会存在能够耗散所有耦合模式的高固有损耗。为避免这种情况发生，团队还发现，当不引入损耗时，通过增大耦合失谐量，产生的耦合模场分布和引入大损耗情形下的耦合模场是相同的，这样便可以构造一条直接连接无损和高损情形的通道，仅仅利用高损情形下不同耦合模式的大损耗差异实现非对称传输，同时规避了其它耦合模式所要遭受的额外能量损失。据此团队提出了一种新的环绕奇异点方式，并在硅基芯片上设计了相应的非对称模式转换光波导器件。该片上光波导结构可以支持对称模和反对称模两种模式，正向输入时，输出为反对称模式，而反向输入时，输出为对称模式。相较于之前其他研究团队的报道，通常不到10%的透过率，陈林团队实验测量单方向的模式透过率最高可以达到90%以上，从根本上克服了模式传输高损耗的问题。由于采用了波导结构参数缓慢演变的方式来控制模式的转变，该器件具有极大的工作带宽，可以覆盖整个光通信波段。

图3 模式在传输过程中的光场分布和输出特性曲线

本工作通过独特的结构参数设计，实现环绕奇异点的高效非对称传输，解决了长期以来输出能量过低的问题，为设计高效非对称光学器件提供了一个新思路。此外，由于对于特定传输方向，输出模式是固定的，这有利于模式锁定相关研究应用。所提出的理论不仅实现了一种新的操纵光波模式的方法，也将启发声学、电学和凝聚态物理中奇异点相关性质的研究和应用。

该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.187403