近日，南京大學(xué)李濤教授、祝世寧院士研究組提出了一種基于雙原子幾何相位超構(gòu)表面和雙端口鈮酸鋰光波導(dǎo)的導(dǎo)模輻射調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了高階龐加萊球上任意狀態(tài)的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換，為片上光場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控開辟了新的方向。

圖1. 集成超構(gòu)表面調(diào)控龐加萊光束示意圖

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代信息處理需求的不斷增長(zhǎng)，高容量的信息系統(tǒng)成為光子集成電路的一大發(fā)展趨勢(shì)。拓展并利用新的光子自由度對(duì)于高速片上光互連具有重要意義。龐加萊光束作為一種矢量渦旋光束，具有空間變化的偏振狀態(tài)和軌道角動(dòng)量信息，能夠?yàn)槎嗦窂?fù)用技術(shù)提供額外的自由度。如何產(chǎn)生和調(diào)控龐加萊光束成為提升光通信系統(tǒng)信息容量的關(guān)鍵。

龐加萊光束的產(chǎn)生通常需要借助一系列光學(xué)元件以實(shí)現(xiàn)相位、偏振調(diào)控，如螺旋相位板、空間光調(diào)制器等，復(fù)雜的光路和分立的光學(xué)元件難以適用于光子集成平臺(tái)。近年來(lái)，超構(gòu)表面因其高度集成化和調(diào)控靈活性的優(yōu)勢(shì)被人們廣為關(guān)注，并用于復(fù)雜光束的調(diào)控。不過(guò)，前人所報(bào)道的結(jié)果大都基于空間光的入射進(jìn)行調(diào)控，器件缺乏高度集成性。實(shí)際上，超構(gòu)表面與光波導(dǎo)相結(jié)合，已經(jīng)展示出靈活操控導(dǎo)模輻射的強(qiáng)大能力，不過(guò)片上的復(fù)雜光束（如龐加萊光束）的產(chǎn)生方法尚未成熟。特別是，大部分功能器件大部分都是固定的，缺乏可調(diào)諧能力，實(shí)現(xiàn)片上光場(chǎng)輻射的動(dòng)態(tài)調(diào)控是亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本工作結(jié)合超構(gòu)表面和鈮酸鋰光波導(dǎo)，在鈮酸鋰薄膜平臺(tái)上演示了集成化的龐加萊光束產(chǎn)生和調(diào)控方法（圖1），豐富了片上復(fù)雜光場(chǎng)的產(chǎn)生手段，也為片上光場(chǎng)的動(dòng)態(tài)操控提供了更多的可能性。為后續(xù)進(jìn)行鈮酸鋰波導(dǎo)調(diào)制的完全動(dòng)態(tài)集成奠定了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

圖2. 片上產(chǎn)生龐加萊光束。（a-c）超構(gòu)表面集成鈮酸鋰光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，（d-e）生成的柱矢量偏振光束