The hallmark of non-Hermitian systems is the presence of exceptional points (EPs) where eigenvalues are degenerate and even eigenstates coalesce. At this EP, unusual phenomena occur due to the reduction of eigenspace, and as a result, research has been conducted to realize the EPs on various systems. Particularly, since the EP can be implemented through the balance of gain and loss values, photonic systems that can easily control these values have received much attention. In photonics, recent investigations have shown the reduction of polarization eigenspace at EPs. Here, we take a step forward to propose one-way complete polarization conversion with gain-integrated metasurfaces supporting exceptional point. The necessity for the inclusion of gain can be justified by which requires zero value of eigentransmission and single eigenpolarization state. To verify the one-way complete polarization conversion, we modeled the transmission matrix of circularly polarized light penetrating the metasurface using temporal coupled mode theory and confirmed it through numerical simulations using a finite element method.
비허미시안 시스템의 특징은 고유값이 축퇴되고 심지어 고유상태가 병합되는 특이점 (Exceptional Point)이 존재한다는 것이다. 이 특이점에서는 고유공간의 축소로인해 일반적이지 않은 현상들이 발생하며 이로인해 다양한 시스템에서 특이점을 구현하고자 하는 연구가 진행되어왔다. 특히, 특이점은 이득과 손실 값의 균형을 통해 구현되기에, 해당 값들을 쉽게 조절할 수 있는 광학 시스템은 많은 관심을 받아왔다. 광학에서의 최근 연구들은 특이점에서의 편광 고유공간의 축소를 보여왔다. 여기서, 우리는 더 나아가 특이점에서 이득물질이 통합된 메타표면을 통해 한 방향으로의 완전한 편광 전환을 제안하고자 한다. 한 방향으로의 완전한 편광 전환을 위해선 고유투과값이 0이 되어야하며 단 하나의 고유편광 상태를 가져야하므로 이득물질 사용의 필요성이 정당화 될 수 있다. 우리는 한 방향으로의 완전한 편광 전환을 검증하기위해 시간 결합 모드 이론을 사용하여 메타표면을 투과하는 원편광의 투과행렬을 모델링 했고, 이를 유한요소법을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
