利用可重构器件探索光的新维度：双层光子晶体中的光学奇点

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

导读

多维光学奇点在光通信和量子操控的信息容量指数级增长中展现出巨大的应用潜力。这些奇点表现为动量或频率空间中未定义的相位或偏振状态，具有独特的拓扑特性和光学特征。近年来，这一领域的研究由于这些光学奇点的潜在应用而受到广泛关注。

本文深入探讨了双层光子晶体（BPhCs）中可调谐的光学奇点及其控制机制。通过使用基于硅氮化物的双层光子晶体，我们展示了可调谐的双向和单向偏振奇点，以及时空相位奇点。这些可调谐奇点的应用，实现了连续体中束缚态（BIC）的动态调制、单向导向共振（UGR）以及纵向和横向轨道角动量（OAM）的控制。我们的研究为偏振和相位的多维控制开辟了新方向，对超快光学、光电子学和量子光学等领域具有重要意义。

BPhCs由两层具有特定图案的光子晶体组成，这些图案通常是周期性的孔洞或其他微结构。这些微结构的尺寸、形状和排列方式直接影响光在晶体中的传播和相互作用。通过调节两层光子晶体之间的间隙h和相对平面位移d，研究人员能够精确地操控光在这些结构中的行为。间隙的大小和层间的相对位置决定了两层之间的光学耦合强度，从而影响光学奇点的特性。在BPhCs中，光通过这些微结构时，会产生复杂的干涉和衍射现象，导致偏振和相位的变化。通过调整光子晶体的结构参数，研究人员可以精确地控制这些变化，从而产生和调控空间光学奇点和时空光学奇点。

图 1. 双层光子晶体中三维光学奇点的概念。 (a) 双层光子晶体的示意图。h 和向量 d 分别代表两个光子晶体层之间的间隙大小和相对位移。 (b) 远场中的偏振椭圆和动量空间中相应的辐射强度。 (c) 频率-动量空间的相位奇点。在不同的 d 下进行切片。

本文首先探索了BPhCs的带结构，并描述了一类称为连续体中束缚态的偏振奇点。BICs表现出无限的Q因子，意味着能量完全局限于结构内部。本文还展示了如何通过调节BPhCs中的h和d来调节单向偏振奇点在动量空间中的方向。此外，本文也探讨了通过改变层间间隙h和平面位移d来调节动量和动量-频率奇点的效果。通过对动量和动量-频率奇点的调节，研究者可以实现对空间涡旋光和时空涡旋光的转换。

图 2. 光学辐射的三维控制。 (a-c) 动量空间中向上（左）和向下（中）的远场偏振状态，以及相应的横截面电场（右）对于 (a) 辐射模式，(b) BICs（连续体中的束缚态），和 (c) UGRs（单向导向共振）。(a-c) 的几何参数为 h = (450 nm, 550 nm, 630 nm)，dx = (0, 0, 0.3ax)，dy = (0, 0, 0)。不同区域根据 Ex 和 Ey 的符号进行着色。 (d-f) 由高斯脉冲激发的电磁场的相位（左）和强度（右）对于 (d) 带有纵向轨道角动量的空间涡旋光束，(e) 在没有横向轨道角动量的情况下，和 (f) 带有横向轨道角动量的时空涡旋光束。(d-f) 的几何参数为 h = (600 nm, 600 nm, 600 nm)，dx = (0, 0, 0.45ax)，dy = (0, 0, 0)。

图 3. 偏振和相位奇点的可重构性。 (a) 在固定位移 (dx, dy) = (0.95ax, 0.95ay) 和变化的 h 下的 UGR（单向导向共振）比率。 (b) 当 h 和 d 同时变化时，UGRs 的三维轨迹。颜色代表 UGR 比率。红色虚线圆圈标记了对应于 (a) 的位移。 (c) 在 h1, h2 和 h3 下获得的偏振场。 (d) 在变化 dx 时，双层光子晶体中光的时空调制，展示了计算出的 OAM（轨道角动量）纯度（上排），频率-动量空间的相位图 (d1x, d2x, d3x, d4x) = (0, 0.25, 0.45, 0.75)ax（中排），以及使用高斯输入脉冲的相应传输电磁场强度（下排）。传输的圆环图案中心由于相位分布的不完美而略微偏离 t = 0。