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2025

Light | 偏振控制手性传输

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导读

手性传输不仅在基础研究中具有重要意义，而且在光通信和传感等领域也具有广阔前景。然而，目前的片上手性传输器件是静态不可调的，这限制了它们的实际应用。为了克服这一限制，华中科技大学王健教授/陈林教授团队提出一种偏振控制手性传输的方法，实验证明了不同的偏振可以产生可控的模式输出。该成果发表在Light： Science & Applications，题为“Polarization-controlled chiral transport”。硕士生朱航为论文第一作者，陈林教授为论文的通讯作者。

在遵循宇称-时间对称的非厄米系统中，本征值与本征态在奇异点（Exceptional Points，EPs）处同时简并。当在哈密顿参数空间中本征值构成的黎曼面上动态环绕EP时，由于黎曼面的特殊拓扑性质，系统的输出状态只取决于环绕方向，而与输入状态无关，这一现象即为手性传输。将哈密顿量参数映射到光学结构（如光波导）参数中，可在光学平台中观察到手性传输现象。该现象在光通信和传感等领域有很大的应用前景，比如量子计算、非对称光开关、偏振控制器、光隔离器等。然而，此前报道的手性传输器件是静态不可调的，每个输出端口都将锁定为特定模式，而与输入光的模式和偏振无关，这限制了器件的可重构能力和传输容量。

该研究通过分析L型波导中TE和TM偏振的折射率变化，发现不同偏振的折射率对L型波导顶部和底部宽度变化的敏感性不同：当顶部宽度（Wa）变化时，TM偏振折射率变化更加敏感;当底部宽度（Wb）变化时，TE偏振折射率变化更加敏感。因此，通过改变顶部和底部宽度，可以使TE和TM偏振的有效折射率呈现相反方向变化。在这种情况下，将L形波导和宽度不变的矩形波导组合形成双耦合波导，可以使TE和TM偏振的失谐（两个波导的传播常数之差）沿相反方向变化，从而产生偏振控制的手性传输（图1）。

图1：实现偏振控制手性传输的双耦合波导。（a， b）L型波导中TE和TM偏振的模场和折射率变化;（c）用于演示偏振控制手性输运的双耦合波导;（d-e）TE（d）和TM（e）的失谐与L型波导宽度变化的关系;（f）失谐与传播距离z的关系

将双耦合波导系统的结构参数与哈密顿参数相对应，可以构建出系统对应的黎曼面以及不同偏振在黎曼面上的参数演化轨迹（图2）。当光从左往右（从右往左）传输时，TE偏振的参数将在黎曼面上沿顺时针（逆时针）方向演化，而TM偏振的参数将在黎曼面上沿逆时针（顺时针）方向演化。这一结果表明输出不仅取决于光的传输方向，还与输入光的偏振有关。