陈林王健团队环绕EP实现非对称模式转换的研究获进展

2022-04-26 10:53:45

4月19日，武汉光电国家研究中心陈林教授、王健教授团队联合美国纽约城市大学Andrea Alù教授，在《自然·通讯》（NATURE COMMUNICATIONS）发表最新研究进展“Fast encirclement of an exceptional point for highly efficient and compact chiral mode converters”。

在遵循宇称-时间对称的非厄米系统中，本征值与本征态在EP处同时简并。光学系统由于具有可调控的增益和损耗，是一个研究EP相关性质的理想平台。最近的诸多工作展示了当动态环绕EP时，由于非绝热跳变的发生，系统会出现非对称模态演化，沿顺时针和逆时针方向环绕EP导致不同的输出模态，且对于某个特定环绕方向，即使输入模态不同，系统最终的输出模态也是相同的。通过将哈密顿参量映射到耦合波导的结构参数，该非对称模态演化已经在仿真和实验中得到了证明。对于传统的非对称模式转换器而言，其环绕路径靠近EP，传输效率较低，之前所报道的传输效率最高仅为46%。另外，研究团队在前期工作中提出通过哈密顿量跳跃可显著提高传输效率，但是这样一个不连续的环绕路径会使得器件遭受额外的串扰，从而导致模式纯度劣化(Physical Review Letters 125 (18), 187403 (2020))。

本工作研究了哈密顿参量空间内的本征值、本征态特性，展示了非厄米的动力学过程并不一定需要缓慢的参量演化以保证绝热条件，即沿着哈密顿参量空间边界进行快速的参量演化也能保证绝热近似，同时，在边界上两个本征态之一经历极低的损耗系数（图1）。基于这些特性，当环绕路径包含参量空间边界时，系统可实现高效的非对称传输（图2）。

将环绕EP的动态演化过程映射至双耦合波导（图3），通过调控沿光传播方向变化的波导宽度、间距与金属宽度，在仅有57 μm长的器件中验证了高效的非对称模式转化，模式串扰为−16 dB，传输效率接近1（图4）。

该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室和武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室的基金资助。陈林老师硕士生舒小倩、博士生李翱东和新加坡国立大学的胡光维博士为共同第一作者，陈林教授、Andrea Alù教授、王健教授担任通信作者。