近日，我院物理与电子技术教研室团队的徐杰博士（第一作者）和罗亚梅博士（末位通讯作者）在全光通信领域取得了突破性进展。

前言

光学通信以其低损耗特性、并行计算能力及高速传输优势著称，这使得全光学器件日益受到学界重视。典型全光学器件涵盖光学滤波器、传感器、分束器、开关、频率/相位/振幅调制器、耦合器和放大器等。这些器件主要基于电光效应、热光效应或非线性光学效应实现功能。其中，线性电光效应因超快响应特性，在光学传感和光学频率梳等领域应用广泛；热光效应常用于光开关设计；非线性光学效应则通过光控光机制实现激光产生和光开关等功能。然而，基于上述效应的全光学器件受限于互易性/对称性引发的反射及加工误差，普遍存在功耗过高的问题。

近年来，单向边缘模因其突破衍射极限（类似表面等离激元SPPs）、强健的信息处理/计算能力及低损耗特性成为研究热点。实现单向边缘模的常见方案是采用光子晶体（PhCs），其核心在于构建由零陈数和非零陈数材料构成的特殊界面——根据体边对应关系，此类界面必然存在单向边缘模。多个研究团队通过理论推演和实验验证，证实了光子晶体中单向模式对结构缺陷或弯曲的鲁棒性。基于光子晶体拓扑保护边缘模，研究者已提出分束器、滤波器、环形器和相位调制器等多种功能器件方案。然而，光子晶体仍面临制造工艺复杂、器件尺寸相对导波波长（λ₀）过大等挑战，制约着亚波长乃至深/超亚波长光学器件的实现。

本研究基于钇铁石榴石（YIG）材料，提出了四种亚波长级全光功能器件。这些器件依托于稳健的单向边缘模式，无需外加磁场即可实现灵活组装。研究重点包括：覆盖-π至π的宽域相位调制、可将输入端单向区域等带宽分配至双输出通道的理想滤波器、具有均等分配比（如50/50）的多频分束器，以及基于INZ模式自洽工作的逻辑门系统。本研究成果有望为紧凑型光学计算器件与集成光路提供新的技术路径。

研究概要

图1. 基于剩磁YIG实现可组装可调控的多功能全光器件

在文章中，徐杰等人成功在微波频段利用简单的直波导单向传输结构构建了可灵活组装的多功能全光器件（如图1所示）。理论上通过对输入端的旋转即可实现器件功能在滤波、逻辑运算、分束和相位调控之间的转换。在相位调控方面，该论文指出利用INZ模式特殊的空间相位不变特性可以实现控制边界材料的长度实现对输出相位的灵活调控。若将多个单向波导组装成Y型结构，通过设计合适的结构臂可以实现丰富的功能，如可以将一整个能带一分为二，使得不同频带的电磁波稳定地从不同的臂输出，即实现滤波功能。类似的，也可以实现如图2所示的对输入电磁波进行分束比（splitting ratio）可调的分束功能。

图2. 基于单向电磁模式的分束比可调的Y型分束器

该研究成果已于3月22日被国际知名学术期刊《Optics and Laser Technology》正式接收，题为“Assembling Magneto-Optical Heterostructures for All-Optical Multi-Functional Devices”。《Optics and Laser Technology》是Elsevier旗下一本专注于光学与激光技术领域的前沿研究的知名期刊，属于中科院2区TOP期刊。该杂志的核心研究领域包括激光技术与应用、光学器件与系统、光学材料、先进光学制造及光学测量与检测。