近日，华中科技大学张敏明教授、王健教授、郑爽副教授研究团队提出一种逆向设计硅光超构芯片，实现多维庞加莱球全空间任意实时动态光场调控。研究突破传统单模器件的设计局限，通过逆向设计算法，实现硅基片上多波导、多模式与空间涡旋光场的高纯度映射(基态模式数目翻倍)。在此基础上，团队结合多通道幅度-相位-偏振全可调谐光子集成回路，实现超过8个多维庞加莱球结构光场的实时动态调控，涵盖偏振、轨道角动量(OAM)、高阶及高维庞加莱球。相关研究成果以“Fully Tunable On-Chip Meta-Generator for Multidimensional Poincaré Sphere Mapping”为题发表于《光：科学与应用》(Light: Science & Applications)。
在光通信、成像、粒子操控、传感测量及量子信息等领域，结构光场应用潜力巨大。结构光场种类多样，包含相位型、偏振型以及更为复杂的幅度、相位、偏振分布。现阶段，其产生与调控主要依赖自由空间元件，面临着体积庞大、集成度低及调控速度受限等挑战。近年来，硅基光子集成技术的发展推动光场调控技术向片上集成方向演进，但无论是Out-of-Plane还是In-Plane技术方案，均受限于波导模式与偏振维度的单一性，难以支持多维庞加莱球(Poincaré Sphere)全空间的任意实时动态光场调控。
针对上述核心瓶颈，研究团队提出了一种基于逆向设计的硅基超构光子集成芯片。该工作首次引入多种波导模式复用与逆向设计算法，成功实现了具有不同拓扑荷数(l)的多模式轨道角动量光束出射，且8种波导光场与8种出射的轨道角动量光束一一映射。这一设计有效扩展了片上光场的模场空间，在同一器件中获得更丰富的涡旋光模式基底。
以八个正交的轨道角动量OAM模式作为构造多维庞加莱球的基态，结合多通道幅度-相位-偏振全可调谐光子集成回路，该芯片具备了对多维光场状态的实时灵活调控能力。该系统不仅实现了超过8个多维庞加莱球(涵盖偏振、轨道角动量、高阶及混合阶)结构光场的实时动态调控，还成功合成了四维希尔伯特空间中的代表性结构光场。这一成果为光子芯片的小型化与多维光信息处理开辟了全新技术路径。相比传统自由空间光学系统，该方案具有结构紧凑、稳定性高、调控维度丰富等优势。
未来，随着高速调制器、片上光源、探测器和量子光源的进一步集成，该平台有望发展为更加完整的片上结构光调控系统，并在光通信、精密测量、量子光子学等领域发挥重要作用。
郑爽、王健和张敏明为论文共同通讯作者，研究生吴天戈与栾井为论文共同第一作者，华中科技大学为第一完成单位。研究工作得到新加坡南洋理工大学申艺杰教授，圣路易斯华盛顿大学、清华大学孟鸢博士的指导与支持。
