图1 基于磁光超表面的宽带和极化复用非互易传输示意图
近年来，随着光子技术与信息通信领域的飞速发展，高效、可控的电磁波定向传输已成为光电子学领域的重要前沿课题。传统的线性、时不变系统普遍遵循洛伦兹互易定理，这在一定程度上限制了光子器件在隔离、保护、全双工通信等方面的功能拓展。非互易性的实现，即主动打破洛伦兹互易性、实现电磁波的单向或方向相关传输，被视为新一代光子系统架构的核心基础。目前，已有的非互易器件多依赖于铁氧体材料、非线性材料或外部驱动，但普遍存在带宽窄、损耗大、仅适用于单一极化以及对入射角缺乏鲁棒性等问题，难以满足高速宽带通信和量子信息处理等应用对多偏振宽带非互易传输的迫切需求。尤其是在亚波长尺度下，如何在保持器件超薄、紧凑的同时，实现高效、宽带且支持极化复用的非互易功能，已成为当前亟需突破的关键挑战。
图2 线偏振入射时的非互易传输
针对以上难题，本研究提出了一种亚波长宽带、极化复用非互易传输的磁光超表面设计方法。如图2h和2i所示，理论分析方面，基于Jones矩阵理论和多极子分解方法，系统揭示了器件非互易本质及其多极子物理机制。超表面单元结构属于C2磁点群结构，允许结构手性、omega型双各向异性及其非互易分量共存。MTDCR的旋转不仅引入了结构手性，还通过Pancharatnam-Berry几何相位实现了对不同极化态的独立调控。而YIG薄层的磁光响应则打破了时间反演对称性，实现了对圆极化波的选择性和方向性。两者形成的Mie-Fabry-Pérot混合共振，使得磁光双折射效应被显著增强，有效拓展了非互易传输的带宽。在工作频段内，YIG诱导的设计不对称性使米氏多极子之间产生磁电耦合，导致正反向激发下多极子组成不同。Mie共振主导的对称（ED、MQ）与非对称（MD、EQ）多极模式交叉耦合，后向入射激发偶极与四极子之间的相干增强，正向入射下多极子相消干涉形成能量的高反射与低透射。数值仿真与理论推导均表明，正反向传输系数的显著差异根源于多极子分量的非对称耦合及时空对称性的破缺，反向透射被有效抑制，能量主要以反射形式输出，器件整体吸收损耗维持在极低水平。
图3 圆偏振照射下的非互易传输特性
图3集中展示了超表面在圆偏振波入射下的非互易特性。通过结构手性与磁光效应的协同，器件对不同旋向的圆偏振波展现出显著的选择性和方向性。结果表明，正反向RCP和LCP入射下透射谱差异明显，圆二色性CD峰值可达0.65，且主要由结构各向异性和omega型双各向异性贡献。图4给出了超表面线偏振非互易传输的实验验证。实测x、y偏振下，器件分别在7.6 GHz和8.8 GHz获得了28.35 dB和17 dB的隔离度，带宽分别达到26%和16%。图5则验证了在圆极化入射和宽入射角条件下的非互易传输性能。实验表明，RCP前向透射率在9.4 GHz时高达94%，CD最大值达0.75，极化选择性强。样品实物图显示器件结构紧凑，易于大规模集成。实际测试还表明，该超表面可在0°至50°宽入射角范围内稳定工作。器件整体较薄、全介质、损耗极低，极易与现有微波系统集成，适用于非互易天线罩、雷达等应用场景。
图4 线极化照射下，超表面非互易传输的实验结果
图5 圆极化照射下，超表面非互易传输实验结果
本研究提出了一种非互易型磁光超表面新范式，核心创新在于米氏散射超原子与磁光Fabry-Pérot腔的双共振相干耦合，实现了空间镜像与时间反演对称性的同步破缺。非互易传输通过磁性材料在外加磁场下的磁光效应及结构双各向异性协同作用，显著提升了极化选择性和带宽性能。值得注意的是，所设计的超表面在0°–50°入射角的宽广角度范围内对圆极化波展现出稳定的非互易传输特性。该器件在不同偏振入射条件下实现12%的相对带宽。该方法还克服了其他非线性材料中遇到的挑战，例如对入射波强度的敏感性、较大的有源功率消耗、高次谐波生成、有限的入射角度范围、带宽限制以及较差的功率处理能力等。其兼具高效非互易传输和宽角度下保持非互易传输的功能，可潜在用于无线通信等领域的全向天线或集成于曲面结构如天线罩等。此外，通过合理的选择磁光材料，此类超表面的工作频率可扩展至太赫兹乃至光学频段。
论文信息
G. Cao, Y. Wang, C. Guan, J. Fu, C. Wang, X. Ding, Broadband and Polarization-Multiplexed Nonreciprocal Transmission Enabled by Magneto-Optical Metasurface. Laser Photonics Rev. 2025, e00559.
https://doi.org/10.1002/lpor.202500559
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