导读

具有PT对称性的非厄米系统在奇异点（EP）处展现出本征值与本征矢量的简并，可引发损耗诱导透明、单模激光及高灵敏度传感等效应。在光子学中，动态环绕EP能够实现模场或偏振的手性转换，现有研究利用体光学元件的模拟架构简化了这一复杂的环绕过程。然而，该架构无法支持光场的多个维度实现手性转换，且在传输效率与光场纯度上难以兼顾。

近日，华中科技大学王健教授领导的多维光子学实验室（MDPL）团队提出用（解）复用器替换模拟EP环绕框架中的耦合器件，不仅简化了架构，还实现了高转换效率和高纯度的手性转换。基于不同维度（偏振、模式、相位）的全光纤复用器，该方案实现了宽带的多维手性转换，更是在实验上突破了轨道角动量（OAM）手性转换，为进一步探索多维非厄米系统铺平了道路。相关研究成果以“Exceptional-point-encirclement emulation tailoring: multidimensional asymmetric switching of all-fiber devices”为题发表于Light: Science & Applications。

非厄米系统凭借其开放性和独特的非厄米特性，展现出许多独特而奇异的物理现象。特别地，在调节两个或多个系统参数时，非厄米哈密顿量的本征值与本征态会形成复数能谱，并在奇异点（EP）处发生本征值和本征态同时简并的特征行为。在光子学中，具有可控增益或损耗的开放体系为研究 EP 及其相关效应提供了理想平台，例如灵敏度增强、单模激光等典型现象等。此外，围绕 EP 的动态环绕过程还会引发光的手性转换，其最终输出态完全由环绕方向决定（图1a）。为了避免动态环绕过程的复杂性，研究者提出了一种基于体光学元件的模拟架构（图1b），可用于实现偏振或路径的手性转换。值得注意的是，光子具有丰富的多物理维度，且研究已从单一维度扩展到多维非厄米系统。然而，如何实现高效的多维手性转换，仍然是当前亟待解决的关键科学问题。

研究团队提出了一种基于奇异点环绕模拟裁剪（EET）的拓扑优化架构（图1c），其核心是采用（解）复用器配置替代传统的耦合器。通过传输矩阵分析，证实该优化的EET架构不仅突破了以往方法中固有的3 dB损耗限制，还实现了高转换效率和高纯度的手性转换。依托这一架构，研究团队利用商用/自制的全光纤器件成功实现了偏振、模式及相位的高性能非对称转换（图1d）。此外，通过引入高阶模式的光纤（解）复用器，该架构也支持高阶模式与基模之间的高效的非对称转换。值得注意的是，尽管此前已有理论研究探讨过OAM模式的非对称转换，但该工作首次在实验上实现了宽带的OAM非对称转换。

图1：传统绝热/非绝热演化架构与拓扑优化EET架构的对比

为验证手性模式转换，研究团队利用自制的LP模式（解）复用器和其他光纤器件构建了全光纤的手性模式器件（图2a）。图2b-d展示了该手性模式器件的输出光斑和传输光谱，表明该器件在1500 - 1630 nm的波长范围内右边输出模式锁定为LP01，左边输出模式锁定为LP11。此外，通过更换高阶模式或者OAM模式（解）复用器，该全光纤的手性器件还可以展示LP01\LP21模式和OAM0\OAM1模式手性转换（图2e-j）。

图2：手性模式转换

总结与展望

本研究提出并展示了一种拓扑优化的EET架构，用于模拟EP环绕过程，并利用全光纤器件实现了高性能的多维非对称转换。该架构以（解）复用器取代传统耦合器，成功消除了传统架构的3 dB损耗，同时减少了有源器件（衰减器与放大器）的数量。此外，通过引入多维度的全光纤（解）复用器，该架构实现了偏振、模式与相位的高效非对称转换，并且易于接入光纤通信系统中。本研究首次在实验中成功展示了OAM模式非对称转换。同时，所提出的EET架构与光子集成平台也具有良好的兼容性，可支持片上多维度的手性转换。这些进展为实现通用、灵活、宽带的多维非对称转换奠定了基础，并为非厄米多维光子学的探索开辟了新的方向。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02144-x