非对称传输

在量子力学中，当非厄米系统的能量与环境进行交换，哈密顿量的两个或更多的本征值和本征态可同时简并，即出现奇异点。由于薛定谔方程与亥姆霍兹方程的形式相似，这些概念被引申至光学领域，哈密顿量参数与光波导结构参数的变化相对应。在时间-宇称对称或反时间-宇称对称的哈密顿参量空间中，环绕奇异点进行动态参数演化，即可形成非对称传输。此时系统的输出模态仅依赖于环绕方向，而与输入无关，且两种环绕方向的输出模态不同。将其映射至光学平台，非对称传输表现为非对称的模式转换。

之前的研究工作大多是在时间-宇称对称的系统中通过闭合演化路径实现了对称模与反对称模的非对称转换。这两种模式的光场同时分布在两个耦合波导内，相比较之下，光场分布在单波导内的模式更具有实际应用的潜力。对称破缺模式符合该光场分布的特点，且在反时间-宇称对称系统中可实现非对称转化，但是其转化效率仅约为4%。

开放的路径

近日，来自华中科技大学的团队报道了光场位于单波导内模式的非对称传输。他们跳脱出闭合环绕奇异点的方案，探索出一条连接两个无穷远点的开放演化路径。该路径的起止点共享相同的本征模式，即光场位于单波导内的渐进模式。这有别于之前的（反）对称模式或者对称破缺模式（图1）。

图1：光场位于单波导内模式的非对称传输及开放的演化路径

在这样的非厄米系统中，非绝热跳变——导致非对称传输的关键因素，来源于演化过程中对本征模式的选择性损耗。该非对称传输除了在理论上进行阐述外，也在多波导耦合系统中进行了实验证明，其最高传输效率接近1（图2）。该光学系统用额外的耦合波导代替之前方案中的金属施加损耗，在实现器件功能的同时，大幅降低了工艺难度。

图2：非对称储传输的仿真及实验结果。(a-d) 器件的扫描电子显微镜图片及其局部放大图，(e, f) 仿真和实验中输出端口的透过率谱线

该成果以“Chiral transmission by an open evolution trajectory in a non-Hermitian system”为题发表在Light Science & Applications。

前景展望

将非对称传输与非线性结合，可为光学非互易提供机会。选择性引入特定模式的增益或损耗，可能有利于锁定耦合波导激光阵列中输出激光器的空间模式，这可利于开发单端口波导的激光器，提高片上输出功率和降低激光阈值。在量子行走系统中引入手性传输效应，可以产生对输入状态不敏感的量子纠缠态，这在量子信息处理和量子通信中有很好的应用前景。

该研究结果为研究非厄米系统的手性动力学提供了新的途径，并为实际的非对称传输装置和应用的开发开辟了新的途径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01409-1