▍導讀

奇異點的光譜退化是非厄米系統的特點，已經被用于激光、控制光傳輸和增強傳感器響應等研究領域。然而，利用兩個納米尖端實現諧振器上的奇異點的傳統方法會導致諧振穩定性問題和額外的損耗。

特拉華大學的科學家們設計了一種基于硅絕緣體上定義的米氏散射器件，可以實現無需事后調整的手性光傳輸。

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

▎正文

非厄米系統的光譜退化，即奇異點，已經被用于激光、控制光傳輸和增強傳感器響應等研究領域。通過控制環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的。

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

美國特拉華大學電氣與計算機工程系的顧庭怡教授團隊，使用光刻技術定義了不對稱和對稱的米氏散射器，實現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，這些預定義的元器件可以將系統帶到奇異點而無需事后調整，并在諧振腔內實現手性光傳輸。

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因子。所提出的器件平臺可以實現預定義的手性光傳播和無反向散射共振，適用于頻率梳、孤子、傳感器等領域，以及其他非線性光學過程，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帶向奇異點方面的關鍵作用。

第二，詳細說明了通過散射幾何形狀控制的方式將非厄米系統驅向和遠離奇異點的路徑。

第三，所設計的系統具有機械穩定性。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奇異點的傳統方式形成對比，后者存在穩定性缺陷。

第四，該工作首次展示了從透射光譜中提取的經驗品質因子的增強方法。

圖1：通過嵌入波導和諧振器中的一對米氏散射體實現奇異點。(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的電子顯微鏡圖像 (上) 和參數設計（下）。(c) 光學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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