PT对称原本作为物理学概念，描述的是物理量在空间与时间上的对称性。近年来，人们发现，在光子学系统中可以很方便实现PT对称现象的观测，并利用其实现很多有趣的现象。作为一种提升光器件性能的极具潜力的手段，PT对称已经被应用于诸如单模激射，光电振荡器，传感和单向传输等领域中。丰富而独特的性质，使得PT对称成为了万众瞩目的焦点。

奇异点是PT对称系统参数空间中一个特殊的点。当系统状态处于奇异点时，它的本征值和本征向量将会简并，且能观测到很多反直观的现象。特别的，由于系统非厄密性引起的非绝热特性，当PT对称系统中参数绕奇异点进行演化时，可以实现手性模式转换。这种现象在手性器件领域展现出了很大的潜力。在光子学系统中，绕奇异点演化可以通过将系统参数映射到光的传输方向上实现，且可以通过设计波导参数使演化路径在参数空间中形成一个绕奇异点的回路。利用这种方式，可以在系统的对称和反对称超模间实现模式的非对称传输。

然而，迄今为止，这种手性变换都只是基于空间模式，在偏振维度上还没有得到实现。由于偏振态的非对称特性，在PT对称系统中利用绕奇异点演化实现偏振态的非对称传输并不是一个很好的选择（如图1（a））。考虑到偏振态的广阔应用场景，非对称偏振态转化也许会在未来偏振处理中占有一席之地，因此，寻找一个适合实现非对称偏振演化的系统是很有价值的。

近年来，一种新概念系统：反PT对称系统被提出。作为PT对称系统的共轭，反PT对称系统同样展现出了很多新奇的性质。对于实际光学应用，反PT对称一般通过非直接耗散耦合，非线性耦合和旋转腔等方法实现。特别的，非直接耦合方式让反PT对称系统成为了实现手性偏振转化的一个优秀平台。其绕奇异点演化的起始模式本身存在非对称性（图1（a）），这使得反PT对称系统很好的符合偏振处理的需求。

图1：手性起偏器概念图。（a）PT/反PT对称系统绕奇异点演化的起始点超模区别。（b）手性起偏器与常规起偏器的区别

损耗是引起光学器件与系统中功耗增加和性能恶化的主要因素之一。因此，在器件设计与系统搭建的过程中，人们会想尽办法避免引入损耗。然而近年来出现了一些新的观点：在非厄密系统中，损耗可在系统宇称时间（PT）对称破缺状态下产生模式增益，这就提供了一种崭新的手段来控制谐振腔的激射状态。

武汉光电国家研究中心张新亮教授团队的周海龙副教授、韦彦先博士生提出了一种基于反PT对称系统中绕奇异点演化的手性起偏器。通过将反PT对称系统与偏振态绕奇异点演化相结合，非对称偏振态传输得以实现。这个新奇的现象可以被应用为一种手性起偏器。传统的起偏器会去除不需要的偏振分量，且前后向输入时对应的透过轴是相同的。然而，手性起偏器则是通过将其他方向的偏振态旋转到透过轴上，且前向传输与后向传输拥有不同的透过轴，如图1（b）所示。这种手性起偏器可以在1530nm到1570nm波段实现TE和TM模式间10dB以上的消光比。

为了更进一步展示这种手性起偏器的应用，该团队利用通信实验，展示了该器件一种偏振信息格式化的应用，如图2所示。使用TE代表‘1’，TM代表‘0’，一个10G比特每秒的开关信号输入该手性起偏器。在前向传输过程中，无论输入偏振态为何，输出偏振方向将总是水平的（图2（b，c））。而在反向传输过程，输出偏振态将总是被转换成垂直方向（图2（d-e））。

图2：偏振格式化实验。（a）实验装置图。（b-e）传输波形图。

这个工作展示了基于反PT对称系统中绕奇异点实现的偏振态非对称传输，并将其应用作一种手性起偏器。这是首次非对称偏振传输得到报道。更重要的是，一种基于绕奇异点非对称模式传输应用得到展示。未来的工作将集中在进一步优化器件的结构以降低其插入损耗，并探索PT与反PT对称系统的应用潜力。

该成果于2021年12月13日发表在《Photonics Research》期刊上，并入选“Spotlight on Optics”（光学聚焦）。项目获得国家重点研发计划(2020YFB1805901))、国家自然科学基金(61805090, 62075075)。

参考文献：Y. Wei, H. Zhou, Y. Chen, Y. Ding, J. Dong, and X. Zhang, "Anti-parity-time symmetry enabled on-chip chiral polarizer," Photon. Res.10, 76 (2021).