該文章首先驗(yàn)證了波導(dǎo)集成的幾何相位超構(gòu)表面產(chǎn)生龐加萊光束的方法。超構(gòu)表面將導(dǎo)模提取為具有相反拓?fù)浜蓴?shù)的左、右旋圓偏振光，通過(guò)線性疊加產(chǎn)生了位于高階龐加萊球赤道上的柱矢量偏振光束。同時(shí)，基于干涉效應(yīng)，采用正交排布的雙原子超構(gòu)單元能夠有效抑制未經(jīng)調(diào)制的輻射光，可以生成高信噪比的高階龐加萊光束（圖2）。

圖3.（a-e）調(diào)控導(dǎo)模相對(duì)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的龐加萊光束狀態(tài)演化

隨后研究人員基于面內(nèi)導(dǎo)模干涉原理（參考研究組前期工作Light Sci. Appl. 2015, 4, e330），構(gòu)建了雙端口的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（圖1），通過(guò)改變兩個(gè)端口中導(dǎo)模的相對(duì)強(qiáng)度和相位差，即可調(diào)控超構(gòu)單元所處位置對(duì)應(yīng)的導(dǎo)模偏振態(tài)。結(jié)合超構(gòu)表面的導(dǎo)模提取能力和光場(chǎng)調(diào)控功能，能夠生成高階龐加萊球上任意狀態(tài)的光束。作為原理驗(yàn)證，研究人員先后調(diào)控兩個(gè)端口中導(dǎo)模的相對(duì)強(qiáng)度和相位差，展示了所產(chǎn)生的龐加萊光束在高階龐加萊球上分別沿赤道和子午線的演化過(guò)程（圖3和圖4）。

圖4.（a-e）調(diào)控導(dǎo)模相位差對(duì)應(yīng)的龐加萊光束狀態(tài)演化

該工作將超構(gòu)表面集成到鈮酸鋰平臺(tái)上，提出了一種集成化的龐加萊光束產(chǎn)生方法，同時(shí)利用雙端口光波導(dǎo)設(shè)計(jì)，賦予片上超構(gòu)表面可調(diào)諧功能，實(shí)現(xiàn)了片上龐加萊光束的調(diào)控。盡管目前該方案仍需借助外部分立的光學(xué)元件，但后續(xù)目標(biāo)是將在鈮酸鋰波導(dǎo)上集成電光調(diào)制器，有望實(shí)現(xiàn)完全集成的片上動(dòng)態(tài)光場(chǎng)調(diào)控，為大容量光通信系統(tǒng)、高維量子糾纏等提供有效的解決方案。

該研究成果以"Metasurface-Enabled On-Chip Manipulation of Higher-Order Poincaré Sphere Beams"為題發(fā)表于Nano Letters上。該論文通訊作者為南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院李濤教授，第一作者是現(xiàn)代工學(xué)院博士研究生計(jì)吉燾，該工作得到祝世寧院士的悉心指導(dǎo)。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、南京大學(xué)登峰人才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00021