模式控制對於光通信和數據處理技術至關重要，無論是數據傳輸線中的連接和開關，還是用於光學電路的某種非互易性設備，例如，對於給定的輸入模式，控制輸出模式是偶數還是奇數的能力是關鍵。現在，中國和加拿大研究人員已經展示瞭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：要實現體積最小、插入損耗低、效率高的這種器件總是很有挑戰性！為了應對這一挑戰，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，這是一個數學概念，引起了微波和光學制導系統研究人員的興趣，因為它們所描述的拓撲性質可能存在模式轉移。
圖示：作為波導幾何參數模式轉換圍繞移動的特異點
然而，以前開發模式傳輸器件中特異點的努力，受到優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可以移動的可能性。這使得它們可以在更短的波導中，實現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於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個數字，因為在歐幾里得空間中找不到交叉點。
複數包括實部和虛部，其中虛部與1的平方根成正比，通常用於描述物理系統中的阻尼行為。由於這兩個分量的存在，一維複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中特定模態的能量本徵值。特異點是兩個模相交的分支奇點，這是允許系統中模轉移的拓撲性質。研究人員製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座標，則會發生模式轉換，因此，根據系統參數，奇模或偶模輸入會導致奇模或偶模輸出。然而，無論是特異點在波導的入口端附近，以便本徵值容易地包圍它以實現有效的模式轉移，但是由於系統的高損耗，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
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空間中才被考慮的。事實上，研究人員一直致力於通過改變波導的光柵波紋來減少具有穩定特異點的損耗。然而，通過這種方式，發現特異點不再是固定的，在發展瞭解釋這種效應的理論之後，研究人員能夠用數值模擬來證實其結果。
研究人員預計，這種效應將適用於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行器，它們給光電路帶來了類似電子的方向偏差，應該適用於聲波和物質波。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。
博科園｜研究/來自：Copyright Science X Network/Anna Demming/Phys
參考期刊《物理評論快報》
博科園｜科學、科技、科研、科普
關注【博科園】看更多大美宇宙科學
閱讀更多 博科園 的文章
