手性（Chirality）是指一個(gè)物體與其鏡像不能通過(guò)平移或旋轉(zhuǎn)完全重合的性質(zhì)，類(lèi)似于左手和右手的關(guān)系。光的手性可簡(jiǎn)單理解為它的旋轉(zhuǎn)偏好。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)，光能像螺絲釘一樣，只朝指定方向扭轉(zhuǎn)傳播，而反方向則完全行不通。把這種方向依賴(lài)性做成芯片上的功能，就能實(shí)現(xiàn)方向選擇、單端口輸出、模式選擇等能力，用于光學(xué)邏輯門(mén)、信號(hào)路由、隔離與模式轉(zhuǎn)換等核心組件，有效提升片上光計(jì)算、光互連、光傳感的性能。以往的片上光手性調(diào)控主要依賴(lài)“緩慢過(guò)渡”原理（絕熱過(guò)程），因此通常需要數(shù)百微米長(zhǎng)的器件來(lái)達(dá)到所需要的性能，嚴(yán)重制約集成度。如何能在不降低器件性能的條件下，有效縮短器件長(zhǎng)度是制約片上手性器件發(fā)展的一個(gè)難題。

為破解這一難題，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鄒毅教授課題組與合作者提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)采用“反PT（Parity–Time）對(duì)稱(chēng)”光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，結(jié)合波導(dǎo)間的耦合、傳播常數(shù)差和損耗等參量調(diào)控來(lái)加速參數(shù)空間中環(huán)繞破缺點(diǎn)（Exceptional point, EP）的速度，進(jìn)而顯著降低器件長(zhǎng)度。相關(guān)研究成果以“Accelerated Exceptional Point Encirclement in Anti Parity-Time Symmetric Systems for Ultra-Compact Chiral Mode Switching”為題發(fā)表于《應(yīng)用物理評(píng)論》（Applied Physics Reviews）。 

圖1 手性模式轉(zhuǎn)換光場(chǎng)及參數(shù)空間的路徑環(huán)繞示意圖（向右傳輸?shù)男盘?hào)永遠(yuǎn)從端口2輸出，而反向傳播的輸出永遠(yuǎn)從端口3打出，以上的輸出結(jié)果僅與傳播方向有關(guān)，與輸入態(tài)無(wú)關(guān)，體現(xiàn)了器件的手性特征。）

為進(jìn)一步縮小器件尺寸，研究人員通過(guò)調(diào)控波導(dǎo)損耗強(qiáng)度（圖2），精確改變波導(dǎo)寬度與間隙從而聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)耦合和傳播常數(shù)差，加速整個(gè)系統(tǒng)在參數(shù)空間中環(huán)繞破缺點(diǎn)的速度，并保持在兩維等效參數(shù)空間中沿“邊界”繞行的路線(xiàn)。這一方案能夠使系統(tǒng)在快速變化中，仍保持較低的絕熱度，在實(shí)現(xiàn)方向依賴(lài)的手性模式切換的同時(shí)增大器件的參數(shù)變化速率，從而顯著降低器件長(zhǎng)度。

圖2 器件示意圖及參數(shù)空間環(huán)繞路徑示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）顯示了該系統(tǒng)在約1580 nm波長(zhǎng)處的輸出功率對(duì)比度高達(dá)19 dB，驗(yàn)證了系統(tǒng)的手性特點(diǎn)。值得一提的是該系統(tǒng)長(zhǎng)度僅為30 μm，比傳統(tǒng)片上手性器件縮短了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。該設(shè)計(jì)通過(guò)EP環(huán)繞的非絕熱躍遷（Nonadiabatic transition, NAT）機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)制造誤差具有較好的魯棒性。同時(shí)，模式切換發(fā)生在局域模式之間，天然支持單端口輸出，更契合片上應(yīng)用。該工作為進(jìn)一步利用非厄密特性開(kāi)發(fā)更緊湊、更高效、更實(shí)用的光子設(shè)備提供了新的可能性。

圖3 器件掃描電子顯微鏡（SEM）圖及透射光譜

上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生吳昱林、孫雨漢為論文共同第一作者，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鄒毅教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)激光空間信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐小川教授為論文共同通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。該成果在上?？萍即髮W(xué)材料與器件中心（SMDL）完成器件加工。

論文鏈接：https://pubs.aip.org/aip/apr/article/12/4/041409/3371050