2022年9月30日，光学领域高水平国际期刊Laser & Photonics Reviews在线发表了超快光学团队关于片上反PT对称系统手性模式转换的研究成果，物理学院副教授刘为为、博士生张益聪和武汉光电国家研究中心博士生邓志华为论文共同第一作者，陆培祥教授、王兵教授和郜定山教授为论文共同通讯作者。

在非厄米体系中，本征值简并点处本征态也同时发生简并(奇异点)，不再构成正交完备的基矢，从而导致参数空间中奇异点附近具有独特的拓扑性质，近年来得到了人们的广泛关注。由于非厄米体系中绝热定理不再完全适用，参数沿着环绕奇异点的封闭路径缓慢演化且满足绝热条件的情况下，相对损耗最低的本征态最终将占据主导地位，系统演化的终态只取决于环绕奇异点的方向而与初态无关，从而产生系统本征态的手性模式转换。反宇称-时间对称(反PT对称)系统的对称破缺相本征态局域在单一结构中，其手性转换对于实现光开关、光隔离器等单向光学器件具有非常重要的意义。然而，反PT对称系统的构建依赖于结构间的虚耦合，难以直接在光学芯片上实现。

陆培祥教授带领的超快光学团队和“强场超快光学”创新研究群体利用三波导体系在硅基芯片平台上间接构造了等效双能级反PT对称系统，并实现了对称破缺模式的手性转换。研究人员设计了亚波长光栅波导结构，通过调节光栅波导的结构参数可以实现对耦合波导中的耦合系数和损耗的精确控制，为构建片上反PT对称系统提供了一种简便高效的方法，避免了传统套刻工艺复杂且精度受限的难题。在此基础上，研究人员在硅基芯片上制备了由三组亚波长光栅波导构成的等效反PT对称系统，并对其模式转换特性进行了系统测试研究。结果表明，在正向传输(逆时针环绕奇异点)的情况下，输入端的任意本征模式在输出端转换为波导1中的局域模式；而在反向传输(顺时针环绕奇异点)的情况下，输入端的任意本征模式在输出端转换为波导3中的局域模式，即实现了片上反PT对称系统中对称破缺模式的手性转换。

测试结果进一步表明，该片上反PT对称系统中的手性模式转换能够覆盖整个光通信C波段，并且在1550nm波长下可获得至少6.4dB的分光比。此外，研究人员还在高温条件(90℃)下测试了器件的工作状况，实现了与室温条件下一致的模式转换效果，说明该片上手性模式转换器件具有很好的热稳定性。该项工作基于绝热消除理论，结合亚波长光栅结构的优势，在实验上成功构造了等效反PT对称系统，并在光通讯波段实现了对称破缺局域模式之间的手性转换，为开发高效、宽带、性能稳定的片上光学器件奠定了理论和实验基础。

图1.(a)片上反PT对称系统示意图；(b)亚波长光栅波导结构的扫描电子显微镜照片；(c)数值模拟的归一化功率分布；(d)实验测得的透射谱。

该项研究工作得到了国家自然科学基金项目和创新研究群体项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100675