在更微型的設備中，實現(xiàn)高效光學模式轉移，對于光通信至關重要！

模式控制對于光通信和數(shù)據處理技術至關重要，無論是數(shù)據傳輸線中的連接和開關，還是用于光學電路的某種非互易性設備，例如，對于給定的輸入模式，控制輸出模式是偶數(shù)還是奇數(shù)的能力是關鍵。現(xiàn)在，中國和加拿大研究人員已經展示了如何通過利用新移動特性的“特異點”，在比以前更微型的設備中實現(xiàn)高效光學模式轉移。

華中科技大學武漢光電子國家實驗室研究員、這些最新結果的主要作者王兵解釋說：要實現(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！為了應對這一挑戰(zhàn)，王兵與武漢光電子國家實驗室、武漢理工大學、上海中國科學院超強激光科學卓越中心和渥太華大學合作者研究了“特異點”的行為，這是一個數(shù)學概念，引起了微波和光學制導系統(tǒng)研究人員的興趣，因為它們所描述的拓撲性質可能存在模式轉移。

圖示：作為波導幾何參數(shù)模式轉換圍繞移動的特異點

然而，以前開發(fā)模式傳輸器件中特異點的努力，受到優(yōu)化模式傳輸效率和透射率的限制，這不可避免地導致長波導不適合更微型的應用。研究人員第一次考慮了特異點數(shù)可以移動的可能性。這使得它們可以在更短的波導中，實現(xiàn)高的模式傳輸效率和透射率。流形描述了在每個點局部類似于歐幾里德空間的拓撲空間，在真實的一維空間中，這可能包括直線或圓，但不包括8個數(shù)字，因為在歐幾里得空間中找不到交叉點。

復數(shù)包括實部和虛部，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。由于這兩個分量的存在，一維復流形被表示為一個稱為黎曼面的平面，它可以表示具有耗散系統(tǒng)中特定模態(tài)的能量本征值。特異點是兩個模相交的分支奇點，這是允許系統(tǒng)中模轉移的拓撲性質。研究人員制作了帶有兩個光柵的波導，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坐標，則會發(fā)生模式轉換，因此，根據系統(tǒng)參數(shù)，奇模或偶模輸入會導致奇?；蚺寄］敵?。然而，無論是特異點在波導的入口端附近，以便本征值容易地包圍它以實現(xiàn)有效的模式轉移，但是由于系統(tǒng)的高損耗，透過率很低。或者特異點遠離波導入口處，因此除非波導更長，否則模式傳輸效率會受到影響。

最佳狀態(tài)

研究人員通過改變光柵的寬度和間距，繞過了波導長度和性能之間的平衡，這允許特異點移動。移動特異點是一個概念上的突破，因為它們最初是在二維參數(shù)空間中才被考慮的。事實上，研究人員一直致力于通過改變波導的光柵波紋來減少具有穩(wěn)定特異點的損耗。然而，通過這種方式，發(fā)現(xiàn)特異點不再是固定的，在發(fā)展了解釋這種效應的理論之后，研究人員能夠用數(shù)值模擬來證實其結果。

研究人員預計，這種效應將適用于集成器件中的光轉換器、耦合器、濾波器和開關，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，應該適用于聲波和物質波。下一步，研究人員計劃實時操縱特異點，LiNbO3具有很強的電光效應，可以通過改變外加電場來控制波導的有效介電常數(shù)。

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

參考期刊《物理評論快報》

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