手性（Chirality）是指一个物体与其镜像不能通过平移或旋转完全重合的性质，类似于左手和右手的关系。光的手性可简单理解为它的旋转偏好。通过特殊设计的芯片结构，光能像螺丝钉一样，只朝指定方向扭转传播，而反方向则完全行不通。把这种方向依赖性做成芯片上的功能，就能实现方向选择、单端口输出、模式选择等能力，用于光学逻辑门、信号路由、隔离与模式转换等核心组件，有效提升片上光计算、光互连、光传感的性能。以往的片上光手性调控主要依赖“缓慢过渡”原理（绝热过程），因此通常需要数百微米长的器件来达到所需要的性能，严重制约集成度。如何能在不降低器件性能的条件下，有效缩短器件长度是制约片上手性器件发展的一个难题。
为破解这一难题，上海科技大学信息科学与技术学院邹毅教授课题组与合作者提出了一种新的设计方案，通过采用“反PT（Parity–Time）对称”光学系统设计思想，结合波导间的耦合、传播常数差和损耗等参量调控来加速参数空间中环绕破缺点（Exceptional point, EP）的速度，进而显著降低器件长度。相关研究成果以“Accelerated Exceptional Point Encirclement in Anti Parity-Time Symmetric Systems for Ultra-Compact Chiral Mode Switching”为题发表于《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）。
图1 手性模式转换光场及参数空间的路径环绕示意图（向右传输的信号永远从端口2输出，而反向传播的输出永远从端口3打出，以上的输出结果仅与传播方向有关，与输入态无关，体现了器件的手性特征。）
为进一步缩小器件尺寸，研究人员通过调控波导损耗强度（图2），精确改变波导宽度与间隙从而联动调节耦合和传播常数差，加速整个系统在参数空间中环绕破缺点的速度，并保持在两维等效参数空间中沿“边界”绕行的路线。这一方案能够使系统在快速变化中，仍保持较低的绝热度，在实现方向依赖的手性模式切换的同时增大器件的参数变化速率，从而显著降低器件长度。
图2 器件示意图及参数空间环绕路径示意图
实验结果（图3）显示了该系统在约1580 nm波长处的输出功率对比度高达19 dB，验证了系统的手性特点。值得一提的是该系统长度仅为30 μm，比传统片上手性器件缩短了近一个数量级。该设计通过EP环绕的非绝热跃迁（Nonadiabatic transition, NAT）机制来实现，对制造误差具有较好的鲁棒性。同时，模式切换发生在局域模式之间，天然支持单端口输出，更契合片上应用。该工作为进一步利用非厄密特性开发更紧凑、更高效、更实用的光子设备提供了新的可能性。
图3 器件扫描电子显微镜（SEM）图及透射光谱
上海科技大学信息科学与技术学院博士研究生吴昱林、孙雨汉为论文共同第一作者，上海科技大学信息科学与技术学院邹毅教授和哈尔滨工业大学激光空间信息国家重点实验室徐小川教授为论文共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。该成果在上海科技大学材料与器件中心（SMDL）完成器件加工。
论文链接：https://pubs.aip.org/aip/apr/article/12/4/041409/3371050
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