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。
该文章首先验证了波导集成的几何相位超构表面产生庞加莱光束的方法。超构表面将导模提取为具有相反拓扑荷数的左、右旋圆偏振光，通过线性叠加产生了位于高阶庞加莱球赤道上的柱矢量偏振光束。同时，基于干涉效应，采用正交排布的双原子超构单元能够有效抑制未经调制的辐射光，可以生成高信噪比的高阶庞加莱光束（图2）。
图3 （a-e）调控导模相对强度对应的庞加莱光束状态演化。
随后研究人员基于面内导模干涉原理（参考研究组前期工作Light Sci. Appl. 2015, 4, e330），构建了双端口的铌酸锂波导结构（图1），通过改变两个端口中导模的相对强度和相位差，即可调控超构单元所处位置对应的导模偏振态。结合超构表面的导模提取能力和光场调控功能，能够生成高阶庞加莱球上任意状态的光束。作为原理验证，研究人员先后调控两个端口中导模的相对强度和相位差，展示了所产生的庞加莱光束在高阶庞加莱球上分别沿赤道和子午线的演化过程（图3和图4）。
图4（a-e）调控导模相位差对应的庞加莱光束状态演化。
该工作将超构表面集成到铌酸锂平台上，提出了一种集成化的庞加莱光束产生方法，同时利用双端口光波导设计，赋予片上超构表面可调谐功能，实现了片上庞加莱光束的调控。尽管目前该方案仍需借助外部分立的光学元件，但后续目标是将在铌酸锂波导上集成电光调制器，有望实现完全集成的片上动态光场调控，为大容量光通信系统、高维量子纠缠等提供有效的解决方案。
该研究成果以"Metasurface-Enabled On-Chip Manipulation of Higher-Order Poincaré Sphere Beams"为题发表于Nano Letters上。该论文通讯作者为南京大学现代工学院李涛教授，第一作者是现代工学院博士研究生计吉焘，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。