作者：陈林

9月13日，武汉光电国家研究中心陈林教授研究小组，在《物理评论快报》（PHYSICAL REVIEW LETTERS）发表题为 Riemann-Encircling Exceptional Points for Efficient Asymmetric Polarization-Locked Devices 的最新研究进展。

近年来，非厄米物理学发展为现代物理学最活跃的分支之一，在广泛的应用中发挥着关键作用。其中，通过构建与外界环境之间的能量交换，并精确控制系统能量的增益或损耗参量，可以使系统位于奇异点（exceptional point, EP）这一特殊状态，使得原本不同的能量本征值在这一点处趋于统一，并且共享同一个本征态。这种独特的简并特性，启发了光学系统中高灵敏度传感、光波模式控制等方面的研究与应用。

在光学中实现光波模式的控制一直以来都是人们关注的话题，不同的模式可以在光通信中携带不同的信号，有利于提高通信容量。奇异点的引入实现了光波模式的非对称调控：在耦合光波导中，通过控制两耦合波导之间的耦合失谐程度和损耗差异这两个参量，使系统的结构参量沿着光传播方向环绕奇异点，可以令某一光学模式分别从沿着正方向和反方向入射后，输出不同的光学模式。不过，以往的研究大都仅调控相同偏振方向的模式且传输效率较低，尚未实现不同偏振模式的高效率非对称传输。

在2020年，陈林团队已证明了经过二维平面参量空间无穷大边界的环绕奇异点路径和高效的非对称传输之间有着密不可分的联系。在最新的研究中，该团队将二维平面参量空间映射到一个闭流形的黎曼球上（图1），利用系统本征模式在参量空间边界处收敛到同一模式的性质，将原本难以界定的无穷大边界映射到黎曼球的北极。通过这种方法，不仅在黎曼球上更加清晰地展示出了经过无穷大边界的环绕奇异点路径，并且能够方便界定环绕不同个数奇异点路径之间的拓扑等价性。

图1 在黎曼球上环绕奇异点

硅基光波导技术的发展允许人们在芯片上制造具有各种功能的光信息处理系统，通过将经过黎曼球北极的环绕奇异点路径映射到L形截面硅基光波导中，可以实现不同偏振模式之间的高效非对称传输与锁定（图2）。L形的波导截面结构使同一波导内TE模式和TM模式之间能够相互耦合，并且可以控制偏振方向随截面结构参数的变化而发生演变。通过在主干线L形波导的一侧放置另一个L形波导，可以实现仅对某一方向偏振模式的耦合吸收损耗。在正向输入时，任意偏振模式均被转化为TE偏振模式输出，反向输入时，任意偏振模式则被转化为TM偏振模式输出。输出模式的振幅与输入模式的偏振态有关，其中振幅最大的输出模式透过率接近100%，且串扰小于-20dB。

图2 非对称偏振锁定硅基光波导

本工作通过构建黎曼球上环绕奇异点的理论框架，为研究奇异点相关的拓扑性质提供了新的思路。通过穿过黎曼球北极的环绕奇异点路径，实现高效非对称偏振锁定结构，丰富了片上光波模式的调控方法，为非厄米光学设备和应用带来新的机遇。

陈林指导的华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生李翱东和新加坡国立大学陈卫锦博士为论文第一作者。该成果得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.127401

  9月13日，武汉光电国家研究中心陈林教授研究小组，在《物理评论快报》（PHYSICAL REVIEW LETTERS）发表题为 Riemann-Encircling Exceptional Points for Efficient Asymmetric Polarization-Locked Devices 的最新研究进展。

近年来，非厄米物理学发展为现代物理学最活跃的分支之一，在广泛的应用中发挥着关键作用。其中，通过构建与外界环境之间的能量交换，并精确控制系统能量的增益或损耗参量，可以使系统位于奇异点（exceptional point, EP）这一特殊状态，使得原本不同的能量本征值在这一点处趋于统一，并且共享同一个本征态。这种独特的简并特性，启发了光学系统中高灵敏度传感、光波模式控制等方面的研究与应用。

在光学中实现光波模式的控制一直以来都是人们关注的话题，不同的模式可以在光通信中携带不同的信号，有利于提高通信容量。奇异点的引入实现了光波模式的非对称调控：在耦合光波导中，通过控制两耦合波导之间的耦合失谐程度和损耗差异这两个参量，使系统的结构参量沿着光传播方向环绕奇异点，可以令某一光学模式分别从沿着正方向和反方向入射后，输出不同的光学模式。不过，以往的研究大都仅调控相同偏振方向的模式且传输效率较低，尚未实现不同偏振模式的高效率非对称传输。

在2020年，陈林团队已证明了经过二维平面参量空间无穷大边界的环绕奇异点路径和高效的非对称传输之间有着密不可分的联系。在最新的研究中，该团队将二维平面参量空间映射到一个闭流形的黎曼球上（图1），利用系统本征模式在参量空间边界处收敛到同一模式的性质，将原本难以界定的无穷大边界映射到黎曼球的北极。通过这种方法，不仅在黎曼球上更加清晰地展示出了经过无穷大边界的环绕奇异点路径，并且能够方便界定环绕不同个数奇异点路径之间的拓扑等价性。

图1 在黎曼球上环绕奇异点

硅基光波导技术的发展允许人们在芯片上制造具有各种功能的光信息处理系统，通过将经过黎曼球北极的环绕奇异点路径映射到L形截面硅基光波导中，可以实现不同偏振模式之间的高效非对称传输与锁定（图2）。L形的波导截面结构使同一波导内TE模式和TM模式之间能够相互耦合，并且可以控制偏振方向随截面结构参数的变化而发生演变。通过在主干线L形波导的一侧放置另一个L形波导，可以实现仅对某一方向偏振模式的耦合吸收损耗。在正向输入时，任意偏振模式均被转化为TE偏振模式输出，反向输入时，任意偏振模式则被转化为TM偏振模式输出。输出模式的振幅与输入模式的偏振态有关，其中振幅最大的输出模式透过率接近100%，且串扰小于-20dB。

图2 非对称偏振锁定硅基光波导

本工作通过构建黎曼球上环绕奇异点的理论框架，为研究奇异点相关的拓扑性质提供了新的思路。通过穿过黎曼球北极的环绕奇异点路径，实现高效非对称偏振锁定结构，丰富了片上光波模式的调控方法，为非厄米光学设备和应用带来新的机遇。

陈林指导的华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生李翱东和新加坡国立大学陈卫锦博士为论文第一作者。该成果得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.127401

直播会议

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