模式控制对于光通信和数据处理技术至关重要，无论是数据传输线中的连接和开关，还是用于光学电路的某种非互易性设备，例如，对于给定的输入模式，控制输出模式是偶数还是奇数的能力是关键。现在，中国和加拿大研究人员已经展示了如何通过利用新移动特性的“特异点”，在比以前更微型的设备中实现高效光学模式转移。

华中科技大学武汉光电子国家实验室研究员、这些最新结果的主要作者王兵解释说：要实现体积最小、插入损耗低、效率高的这种器件总是很有挑战性！为了应对这一挑战，王兵与武汉光电子国家实验室、武汉理工大学、上海中国科学院超强激光科学卓越中心和渥太华大学合作者研究了“特异点”的行为，这是一个数学概念，引起了微波和光学制导系统研究人员的兴趣，因为它们所描述的拓扑性质可能存在模式转移。

图示：作为波导几何参数模式转换围绕移动的特异点

然而，以前开发模式传输器件中特异点的努力，受到优化模式传输效率和透射率的限制，这不可避免地导致长波导不适合更微型的应用。研究人员第一次考虑了特异点数可以移动的可能性。这使得它们可以在更短的波导中，实现高的模式传输效率和透射率。流形描述了在每个点局部类似于欧几里德空间的拓扑空间，在真实的一维空间中，这可能包括直线或圆，但不包括8个数字，因为在欧几里得空间中找不到交叉点。

复数包括实部和虚部，其中虚部与1的平方根成正比，通常用于描述物理系统中的阻尼行为。由于这两个分量的存在，一维复流形被表示为一个称为黎曼面的平面，它可以表示具有耗散系统中特定模态的能量本征值。特异点是两个模相交的分支奇点，这是允许系统中模转移的拓扑性质。研究人员制作了带有两个光栅的波导，这些光栅被蚀刻在氧化硅上的硅中，光栅边缘处的波纹影响系统的有效损耗。

如果光栅宽度和光栅间距的曲线包围了特异点坐标，则会发生模式转换，因此，根据系统参数，奇模或偶模输入会导致奇模或偶模输出。然而，无论是特异点在波导的入口端附近，以便本征值容易地包围它以实现有效的模式转移，但是由于系统的高损耗，透过率很低。或者特异点远离波导入口处，因此除非波导更长，否则模式传输效率会受到影响。

最佳状态

研究人员通过改变光栅的宽度和间距，绕过了波导长度和性能之间的平衡，这允许特异点移动。移动特异点是一个概念上的突破，因为它们最初是在二维参数空间中才被考虑的。事实上，研究人员一直致力于通过改变波导的光栅波纹来减少具有稳定特异点的损耗。然而，通过这种方式，发现特异点不再是固定的，在发展了解释这种效应的理论之后，研究人员能够用数值模拟来证实其结果。

研究人员预计，这种效应将适用于集成器件中的光转换器、耦合器、滤波器和开关，以及宽带光隔离器和环行器，它们给光电路带来了类似电子的方向偏差，应该适用于声波和物质波。下一步，研究人员计划实时操纵特异点，LiNbO3具有很强的电光效应，可以通过改变外加电场来控制波导的有效介电常数。

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博科园｜研究/来自：Copyright Science X Network/Anna Demming/Phys

参考期刊《物理评论快报》

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