南京大学开辟片上光场动态调控新方向

近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士研究组提出了一种基于双原子几何相位超构表面和双端口铌酸锂光波导的导模辐射调控方法，实现了高阶庞加莱球上任意状态的产生和转换，为片上光场动态调控开辟了新的方向。

图1. 集成超构表面调控庞加莱光束示意图

随着大数据时代信息处理需求的不断增长，高容量的信息系统成为光子集成电路的一大发展趋势。拓展并利用新的光子自由度对于高速片上光互连具有重要意义。庞加莱光束作为一种矢量涡旋光束，具有空间变化的偏振状态和轨道角动量信息，能够为多路复用技术提供额外的自由度。如何产生和调控庞加莱光束成为提升光通信系统信息容量的关键。

庞加莱光束的产生通常需要借助一系列光学元件以实现相位、偏振调控，如螺旋相位板、空间光调制器等，复杂的光路和分立的光学元件难以适用于光子集成平台。近年来，超构表面因其高度集成化和调控灵活性的优势被人们广为关注，并用于复杂光束的调控。不过，前人所报道的结果大都基于空间光的入射进行调控，器件缺乏高度集成性。实际上，超构表面与光波导相结合，已经展示出灵活操控导模辐射的强大能力，不过片上的复杂光束（如庞加莱光束）的产生方法尚未成熟。特别是，大部分功能器件大部分都是固定的，缺乏可调谐能力，实现片上光场辐射的动态调控是亟待解决的一个问题。

针对上述问题，本工作结合超构表面和铌酸锂光波导，在铌酸锂薄膜平台上演示了集成化的庞加莱光束产生和调控方法（图1），丰富了片上复杂光场的产生手段，也为片上光场的动态操控提供了更多的可能性。为后续进行铌酸锂波导调制的完全动态集成奠定了设计基础。

图2. 片上产生庞加莱光束。（a-c）超构表面集成铌酸锂光波导结构，（d-e）生成的柱矢量偏振光束