模式控制對(duì)于光通信和數(shù)據(jù)處理技術(shù)至關(guān)重要，無論是數(shù)據(jù)傳輸線中的連接和開關(guān)，還是用于光學(xué)電路的某種非互易性設(shè)備，例如，對(duì)于給定的輸入模式，控制輸出模式是偶數(shù)還是奇數(shù)的能力是關(guān)鍵。

現(xiàn)在，中國和加拿大研究人員已經(jīng)展示了如何通過利用新移動(dòng)特性的“特異點(diǎn)”，在比以前更微型的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高效光學(xué)模式轉(zhuǎn)移。

華中科技大學(xué)武漢光電子國家實(shí)驗(yàn)室研究員、這些最新結(jié)果的主要作者王兵解釋說：要實(shí)現(xiàn)體積最小、插入損耗低、效率高的這種器件總是很有挑戰(zhàn)性！為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，王兵與武漢光電子國家實(shí)驗(yàn)室、武漢理工大學(xué)、上海中國科學(xué)院超強(qiáng)激光科學(xué)卓越中心和渥太華大學(xué)合作者研究了“特異點(diǎn)”的行為，這是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，引起了微波和光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)研究人員的興趣，因?yàn)樗鼈兯枋龅耐負(fù)湫再|(zhì)可能存在模式轉(zhuǎn)移。

然而，以前開發(fā)模式傳輸器件中特異點(diǎn)的努力，受到優(yōu)化模式傳輸效率和透射率的限制，這不可避免地導(dǎo)致長波導(dǎo)不適合更微型的應(yīng)用。研究人員第一次考慮了特異點(diǎn)數(shù)可以移動(dòng)的可能性。這使得它們可以在更短的波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)高的模式傳輸效率和透射率。流形描述了在每個(gè)點(diǎn)局部類似于歐幾里德空間的拓?fù)淇臻g，在真實(shí)的一維空間中，這可能包括直線或圓，但不包括8個(gè)數(shù)字，因?yàn)樵跉W幾里得空間中找不到交叉點(diǎn)。

復(fù)數(shù)包括實(shí)部和虛部，其中虛部與1的平方根成正比，通常用于描述物理系統(tǒng)中的阻尼行為。由于這兩個(gè)分量的存在，一維復(fù)流形被表示為一個(gè)稱為黎曼面的平面，它可以表示具有耗散系統(tǒng)中特定模態(tài)的能量本征值。特異點(diǎn)是兩個(gè)模相交的分支奇點(diǎn)，這是允許系統(tǒng)中模轉(zhuǎn)移的拓?fù)湫再|(zhì)。研究人員制作了帶有兩個(gè)光柵的波導(dǎo)，這些光柵被蝕刻在氧化硅上的硅中，光柵邊緣處的波紋影響系統(tǒng)的有效損耗。

如果光柵寬度和光柵間距的曲線包圍了特異點(diǎn)坐標(biāo)，則會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，因此，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，奇?；蚺寄］斎霑?huì)導(dǎo)致奇模或偶模輸出。然而，無論是特異點(diǎn)在波導(dǎo)的入口端附近，以便本征值容易地包圍它以實(shí)現(xiàn)有效的模式轉(zhuǎn)移，但是由于系統(tǒng)的高損耗，透過率很低。或者特異點(diǎn)遠(yuǎn)離波導(dǎo)入口處，因此除非波導(dǎo)更長，否則模式傳輸效率會(huì)受到影響。

最佳狀態(tài)

研究人員通過改變光柵的寬度和間距，繞過了波導(dǎo)長度和性能之間的平衡，這允許特異點(diǎn)移動(dòng)。移動(dòng)特異點(diǎn)是一個(gè)概念上的突破，因?yàn)樗鼈冏畛跏窃诙S參數(shù)空間中才被考慮的。事實(shí)上，研究人員一直致力于通過改變波導(dǎo)的光柵波紋來減少具有穩(wěn)定特異點(diǎn)的損耗。然而，通過這種方式，發(fā)現(xiàn)特異點(diǎn)不再是固定的，在發(fā)展了解釋這種效應(yīng)的理論之后，研究人員能夠用數(shù)值模擬來證實(shí)其結(jié)果。

研究人員預(yù)計(jì)，這種效應(yīng)將適用于集成器件中的光轉(zhuǎn)換器、耦合器、濾波器和開關(guān)，以及寬帶光隔離器和環(huán)行器，它們給光電路帶來了類似電子的方向偏差，應(yīng)該適用于聲波和物質(zhì)波。下一步，研究人員計(jì)劃實(shí)時(shí)操縱特異點(diǎn)，LiNbO3具有很強(qiáng)的電光效應(yīng)，可以通過改變外加電場(chǎng)來控制波導(dǎo)的有效介電常數(shù)。

博科園｜研究/來自：Copyright Science X Network/Anna Demming/Phys

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

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