基于拓扑优化的异常点绕越模拟剪裁架构实现全光纤多维非对称开关

《Light-Science & Applications》：Exceptional-point-encirclement emulation tailoring: multidimensional asymmetric switching of all-fiber devices

为解决多维非对称开关的通用架构难题，研究人员开展了基于异常点(EP)绕越模拟剪裁(EET)的拓扑优化研究，通过以(解)复用器替代传统漏耦合器，消除了3-dB固有损耗，并利用全光纤器件实现了偏振、模式及轨道角动量(OAM)的高性能非对称开关，首次实验演示了非对称OAM开关，为多维非厄米光子学探索开辟了新途径。

　　

在光学研究领域，非厄米系统因其独特的物理特性近年来备受关注。特别是具有宇称-时间(PT)对称性的系统，展现了开放边界或耗散动力学中的奇异现象。当系统参数调节时，非厄米哈密顿量的复本征值会穿越黎曼曲面，在称为异常点(EP)的奇点处汇合。异常点作为多个本征值及其相关本征向量汇聚的奇异点，能触发剧烈的状态转变，产生诸如损耗诱导透明、单模激光和拓扑光控制等迷人效应。

然而，实现多维非对称开关一直面临重大挑战。传统方法需要复杂动态的异常点绕越过程，且现有架构存在固有损耗大、灵活性差等问题。特别是对于轨道角动量(OAM)模式，虽然理论上已有研究，但实验演示一直未能实现。这些限制严重阻碍了非厄米系统在光子处理中的实际应用。

为了解决这些问题，Li等人在《Light: Science & Applications》上发表了题为"Exceptional-point-encirclement emulation tailoring: multidimensional asymmetric switching of all-fiber devices"的研究论文。他们提出了一种创新的拓扑优化架构，称为异常点绕越模拟剪裁(EET)，通过巧妙的光学设计实现了高效的多维非对称开关。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于耦合模理论的传输矩阵分析、全光纤模式选择性耦合器的设计与制备、以及多维光学特性的表征技术。通过理论分析验证了拓扑优化架构的性能优势，并利用全光纤器件实现了偏振、线偏振(LP)模式和轨道角动量(OAM)模式的非对称开关实验验证。

拓扑优化的架构设计

研究人员首先分析了传统非绝热演化架构的局限性。传统架构包含两个衰减器、两个放大器和漏耦合器，其传输矩阵分析表明存在3-dB固有损耗的限制。为解决这一问题，他们提出了拓扑优化的EET架构，使用(解)复用器替代传统漏耦合器作为泄漏器件，并重新优化了光传播路径。这种优化减少了器件数量，同时保留了系统的拓扑功能性。

理论分析显示，优化后的架构传输矩阵具有显著优势。当(de)复用器的耦合效率较高时，最小变换损耗和串扰同时降低，实现了近乎无损的性能。特别是，该架构支持任意两种状态之间的非对称开关，只需相应复用器的正确实现即可。

全光纤多维非对称开关

基于拓扑优化的EET架构，研究人员实现了全光纤的多维非对称开关演示。该架构仅需两个(de)复用器和一个可变光学衰减器(VOA)，均可通过相应的全光纤器件实现。通过替换不同维度的(de)复用器，该设计能够实现跨越多维的非对称开关。

全光纤手性偏振器

研究团队构建了包含两个商用偏振分束器(PBS)和光纤衰减器的全光纤手性偏振器。实验结果表明，在1500-1630纳米波长范围内，前向传输时偏振锁定为X偏振，后向传输时锁定为Y偏振，偏振纯度达到20分贝，最小变换损耗小于1分贝。这一结果验证了手性偏振开关的有效性。

各种空间光的非对称开关

在空间维度上，研究人员实现了线偏振模式LP₀₁和LP₁₁之间的非对称开关。实验显示，当光前向输入时，输出模式始终为LP₀₁；后向输入时，输出模式始终为LP₁₁。器件在1500-1630纳米波长范围内实现了小于3分贝的最小变换损耗和低于-11分贝的模式串扰。此外，通过使用高阶模式复用器，还成功演示了LP₀₁和LP₂₁模式之间的非对称传输，模式纯度达到-15分贝以上。

各种相位光的非对称开关

最具创新性的是轨道角动量(OAM)模式的非对称开关演示。研究人员选择OAM₁和OAM₂模式进行验证，实验结果表明清晰的非对称开关行为：右侧输出相位锁定为OAM₁，左侧输出锁定为OAM₂，与输入相位无关。在1500-1630纳米波长范围内，器件插入损耗小于8分贝，串扰低于-11.3分贝。

讨论与展望

该研究提出的拓扑优化EET架构成功实现了高性能的多维非对称开关，特别是首次实验演示了实用的非对称OAM开关。由于衰减器和(解)复用器组件的性能与输入光功率无关，该器件在不同光强下均能可靠工作。

值得注意的是，该拓扑架构与光子集成电路(PIC)具有良好的兼容性。与大多数采用绝热渐变异常点绕越方案的集成光子器件相比，该优化架构结合紧凑型模式复用器和衰减器，有望在约14.25微米的紧凑尺寸内实现高性能的片上非对称模式传输。此外，借助其他维度的复用器，该架构还能实现相应的手性开关。

研究结论表明，拓扑优化的EET架构通过用复用器替代传统耦合器，有效模拟了动态异常点绕越行为，同时减少了3-dB固有损耗和有源组件数量。利用全光纤多维复用器，成功实现了偏振、模式和相位的高性能非对称开关。这些全光纤器件可无缝集成到光通信系统中，为通用、灵活和宽带的多维非对称开关奠定了基础，开辟了多维非厄米光子学探索的新机遇。

该研究的重大意义在于首次实验演示了实用的非对称OAM开关，解决了多维非对称开关的通用架构难题，为非厄米光子学器件的实际应用提供了可行的技术路径。拓扑优化的设计理念和全光纤的实现方式，为未来高性能、紧凑型非厄米光子系统的开发指明了方向。