奇異點的光譜退化是非厄米系統(tǒng)的特點，已經(jīng)被用于激光、控制光傳輸和增強傳感器響應(yīng)等研究領(lǐng)域。然而，利用兩個納米尖端實現(xiàn)諧振器上的奇異點的傳統(tǒng)方法會導(dǎo)致諧振穩(wěn)定性問題和額外的損耗。

特拉華大學(xué)的科學(xué)家們設(shè)計了一種基于硅絕緣體上定義的米氏散射器件，可以實現(xiàn)無需事后調(diào)整的手性光傳輸。

該工作以“Chiral exceptional point and coherent suppression of backscattering in silicon microring with low loss Mie scatterer”為題發(fā)表在卓越計劃高起點新刊eLight。

▎正文

非厄米系統(tǒng)的光譜退化，即奇異點，已經(jīng)被用于激光、控制光傳輸和增強傳感器響應(yīng)等研究領(lǐng)域。通過控制環(huán)形諧振器中頻率退化的順時針和逆時針進行模式之間的耦合，可以將其帶到奇異點，這往往是通過在諧振器的模場體積中引入兩個或更多納米尖端實現(xiàn)的。

雖然這種方法提供了研究奇異點物理學(xué)的途徑，但忽視了關(guān)納米尖端的形狀和大小對系統(tǒng)非厄米性的影響，以及由平面和垂直散射產(chǎn)生的額外損耗。有限的諧振穩(wěn)定性為利用奇異點效應(yīng)設(shè)計開關(guān)或調(diào)制器提出了重大挑戰(zhàn)，這需要穩(wěn)定的腔體共振和固定的激光-腔體失調(diào)。

美國特拉華大學(xué)電氣與計算機工程系的顧庭怡教授團隊，使用光刻技術(shù)定義了不對稱和對稱的米氏散射器，實現(xiàn)了子波長尺度的波傳輸和反射控制，并且避免了附加的輻射通道。他們表明，這些預(yù)定義的元器件可以將系統(tǒng)帶到奇異點而無需事后調(diào)整，并在諧振腔內(nèi)實現(xiàn)手性光傳輸。

令人意外的是，元器件的幾何缺陷可以通過相干抑制表面粗糙度的反向散射，從而提高在傳輸端口上測量的品質(zhì)因子。所提出的器件平臺可以實現(xiàn)預(yù)定義的手性光傳播和無反向散射共振，適用于頻率梳、孤子、傳感器等領(lǐng)域，以及其他非線性光學(xué)過程，如光子封鎖和再生振蕩器。

這項工作不僅為手性硅光子學(xué)開辟了一條全新的道路，而且具有以下四個方面的重要意義。

第一，它揭示了納米尖端和米氏散射體的空間不對稱性在將系統(tǒng)帶向奇異點方面的關(guān)鍵作用。

第二，詳細(xì)說明了通過散射幾何形狀控制的方式將非厄米系統(tǒng)驅(qū)向和遠離奇異點的路徑。

第三，所設(shè)計的系統(tǒng)具有機械穩(wěn)定性。通過比較微擾微腔的透射和反射譜，從而揭示了納米尖端/散射體對于對角線項的貢獻。這與利用兩個納米尖端實現(xiàn)奇異點的傳統(tǒng)方式形成對比，后者存在穩(wěn)定性缺陷。

第四，該工作首次展示了從透射光譜中提取的經(jīng)驗品質(zhì)因子的增強方法。

圖1：通過嵌入波導(dǎo)和諧振器中的一對米氏散射體實現(xiàn)奇異點。(a) 硅絕緣體襯底上具有光刻定義對稱元件的通道波導(dǎo)的掃描電子顯微鏡圖像。(b) 硅絕緣體襯底上具有光刻定義的矩形對稱米氏散射體的通道波導(dǎo)的電子顯微鏡圖像 (上) 和參數(shù)設(shè)計（下）。(c) 光學(xué)阻抗匹配得到的奇異點。

▍論文信息

Lee, H., Kecebas, A., Wang, F. et al. Chiral exceptional point and coherent suppression of backscattering in silicon microring with low loss Mie scatterer. eLight 3, 20 (2023).

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00043-5

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