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APP | 哈尔滨工业大学王嘉威教授团队:高阶手性奇异点构建及其超灵敏传感应用
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奇异点（Exceptional point, EP）是非厄米开放系统中特有的奇异简并态，其本征值与本征态同时简并，在光学微腔、非互易传输和超灵敏传感等方向展现出独特物理效应。近年来，基于回音壁模式微腔的EP体系已成为集成光子学研究的重要平台，特别是在单分子检测、 非互易传输、相干完美吸收、手性光场调控和非线性光与物质相互作用等方面展现出广阔应用前景。相比二阶EP，高阶EP由于其对微弱扰动呈现更强的非线性响应。最近，研究热点已延伸至涉及三个或更多本征值及其对应本征向量合并的高阶奇异点的构建。在此背景下，系统对外部微扰（强度为 ϵ）的响应与 ϵ^(1/N) 成正比（N代表EP阶数）。实现高阶奇异点对于超灵敏传感、光学陀螺仪、 无线能量传输以及增强光与物质相互作用等领域具有重大意义。
然而，高阶EP的构筑仍面临显著挑战，传统的N个微腔级联的方案通常依赖完全对称的微腔阵列，并需要精细调控增益–损耗分布，而且最终只能实现N阶奇异点。此外，在单个WGM微腔中引入单向耦合也能实现二阶奇异点，但是这种单向耦合往往需要引入额外的反射器、隔离器等外部器件。以上方法不仅系统复杂、奇异点阶数受限，也制约了其在全无源、片上集成平台中的推广应用。
近期，哈尔滨工业大学（深圳）王嘉威教授团队在 APL Photonics 发表题为 “Higher-order chiral exceptional points in asymmetric photonic molecules” 的研究成果，提出了一种基于非对称光子分子结构的通用框架，实现了任意阶手性高阶奇异点的构建，为片上非厄米光子器件提供了一条全新的实现路径。该成果入选Editor’s Picks。团队博士生李锦为第一作者，段嘉楠副教授、徐小川教授为共同通讯作者。
该工作以一种特别的、具有特定模式手性的螺旋形微环谐振腔为核心单元，通过其内在的非对称边界散射，实现顺、逆时针模式间的单向耦合，在无需外部辅助器件的情况下构建二阶手性EP。通过和一个常规微环耦合，可将EP阶数提升至四阶（见图1）。
图1. (a) 工作于二阶奇异点的双微腔对称光子分子结构示意图。(b) 基于螺旋形微环谐振腔的非对称光子分子结构示意图，包括增益–损耗体系（左）和全无源体系（右）。(c) 增益–损耗体系在 Δω−γ 参数空间中的本征值曲面分布，其中左图和右图分别对应本征值的实部和虚部。 (d) 全无源体系在Δω−γ 参数空间中本征值虚部的计算曲面分布。
进一步地，研究将该手性特性逐级“传递”至由多个常规微环组成的光子分子体系中，成功将EP阶数从传统的 N 阶提升至 2N 阶。该方法不仅适用于增益–损耗系统，还可自然拓展至全无源光子分子结构，提升了设计实用范围。
图2. 用于实现 2N 阶奇异点的 N 元非对称光子分子结构示意图，其中包含一个手性螺旋形微环谐振腔与 𝑁−1 个常规微环谐振腔。
理论和仿真结果表明，所构建的高阶手性EP在面对局域微扰（如单个纳米粒子或生物分子吸附）时，表现出远超二阶EP的非线性响应增强。在四阶与八阶EP条件下（见图3），系统对微弱扰动的本征频率分裂分别提升至传统简并点的数十倍乃至百倍量级，显示出在单分子检测与超灵敏传感方面的巨大潜力。
图3. (a) 二阶奇异点（上）与手性奇异点（下）对单个分析物引起的局域微扰产生增强响应的示意图。(b)–(d) 针对二阶 (b)、四阶 (c) 和八阶 (d) 奇异点，计算得到的本征值劈裂随微扰强度的变化关系。阴影区域表示对应于单分子传感的微扰范围（ϵ < 0.3 GHz）。(e) 在对数坐标下，简并点及二阶、四阶、六阶、八阶例外点的最大劈裂 Δω 随 ϵ 变化的总结。插图：不同阶数奇异点对 ϵ = 0.07 GHz 微扰的响应。
该研究提出了一种无需精密增益调控、完全可集成、可扩展的高阶EP构建方案，为非厄米光子学、片上超灵敏传感、手性光场工程及相关非线性光学应用提供了新的设计范式，也为高阶异常点从概念验证走向实际应用奠定了重要基础。
团队介绍
哈尔滨工业大学（深圳）集成电路学院集成光波实验室 (https://homepage.hit.edu.cn/wangjiawei?lang=zh) 于2020年9月成立，现研究方向主要包括集成光腔器件、硅基光电子集成芯片以及面向传感、加密、计算与量子等领域的前沿应用。课题组负责人王嘉威教授为国家优秀青年科学基金获得者、广东省青年拔尖人才计划入选者。本课题组实验室建有完备的光子芯片微纳加工平台以及器件表征设备。课题组成立以来，在Nature Photonics、Science Advances、 Newton、 Laser & Photonics Reviews、 APL Photonics 等权威期刊发表高水平论文40余篇。课题组每年拟招收博士研究生1-3名，硕士研究生2-3名，长期招聘博士后。欢迎专业背景为光学、物理、材料、电子、计算机、生命科学等专业的同学、学者加入，欢迎各位专家同行来课题组交流指导。
联系邮箱：wangjw7@hit.edu.cn
本文第一作者为团队博士研究生李锦，该生长期从事非厄密光子学研究，目前已以第一作者身份在APL Photonics 等期刊发表论文4篇。
文章信息
Higher-order chiral exceptional points in asymmetric photonic molecules
Jin Li; Kexun Wu; Jian Ding; Mingquan Deng; Xiujie Dou; Xingyi Ma; Xiaochuan Xu; Jianan Duan; Jiawei Wang
APL Photonics 10, 056102 (2025)
https://doi.org/10.1063/5.0256327
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期刊介绍
APL Photonics促进以光子学为基础的基础性、应用性和多学科研究。通过强大的编辑流程，我们的目标是出版高质量的研究成果，代表重大的突破、新的理解、或具有长期影响的前瞻性文章。我们的使命是为国际光子学和更广泛的学术共同体提供公开访问的资源。
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