导读

奇异点（Exceptional Point, EP）已在机械、声学、等离子体和光子系统中得到了广泛研究。然而，对于奇异点在调整光学器件动态可调性方面的作用了解仍然有限。近日，来自特拉华大学的顾庭怡教授团队使用非对称米氏散射体打破微环谐振器的旋转对称性，以展示跨越奇异点的确定性热调谐。微环谐振器（Micro-ring resonator, MRR）边缘使用光刻制造的非对称米氏散射体 (Mie scatterers) 实现奇异点的途径，不仅为研究奇异点提供了急需的机械稳定性，还帮助减少了纳米制造缺陷带来的损耗，从而促进了对奇异点的研究及其对微环谐振器动态和可调性的贡献。该工作以“Chiral exceptional point enhanced active tuning and nonreciprocity in micro-resonators”为题发表在国际顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

手性奇异点微环谐振器

增强的奇异点对小扰动的响应使其在传感、高效电光信号转换、光互连和隔离器方面颇具吸引力。然而，其实现面临着机械不稳定性和制造相关缺陷的挑战。克服这些挑战并构建机械稳定的奇异点系统将允许对关键参数进行精确控制，并启用对增强非厄米光子系统的探索。为了解决这些问题，研究团队制造了一个具有两个光刻制造的非对称米氏散射体的硅光子微环谐振器。

该研究工作不仅为手性硅光子学开辟了一条新的方向，而且有以下四个方面的重要意义。

第一，利用纳米技术设计的空间不对称性的米氏散射体可以将系统带向奇异点。

第二，通过仅调整两个不对称散射体之间的一个光路，利用一个高度局部化的加热器或是电光调谐，该调谐器可以控制顺时针和逆时针模式之间的环内耦合系数，从而使系统靠近或远离奇异点。

第三，在此微环谐振器，不仅可以观察到模式分裂（mode-splitting）也可以和理论结合。

第四，根据奇异点微环谐振器的特性，适合实现发射电子集成电路（与接收电子集成电路之间的单向数据流。

图1. 手性奇异点调制器的工作原理和应用。（a）微环谐振器示意图，包含光刻制造的低损耗非对称米氏散射体，其介导了顺时针和逆时针模式之间的不对称耦合。(b) 三维成像激光显微镜捕获的图像，显示了嵌入氧化物中的add-drop波导耦合的非厄米光子调制器，由代工晶圆生产制造。(c) 应用场景，实现发射电子集成电路（EICs）与接收EICs之间的单向数据流。在传统的微环谐振器中，为了避免串扰（灰色部分），需要为发射和接收端口使用重复的电路拓扑结构。

总结与展望

本研究展示了可以通过设计并将米氏散射体光刻图案化到微环谐振器中来实现光学谐振器中的非厄米特性。米氏散射体反射率的幅度和相位可以通过热调谐或者电光调谐控制 。对散射体间相位的微调可控制地将谐振器引导至奇异点及远离奇异点，并调节顺时针和逆时针模式的有效光子寿命。而这种奇异点特性可以用作实现发射与接收电子集成电路之间的单向数据流。本研究不仅为硅基手性光子学开辟了新方向，而且通过理论分析和实验结果的结合，进一步推动了对奇异点的探索。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01686-w