Optische bundels die orbitaal impulsmoment (OAM) dragen, hebben de afgelopen decennia steeds meer aandacht getrokken, met disruptieve toepassingen op een groot aantal gebieden:het vangen van deeltjes en pincetten, hoge resolutie microscopie, astronomische coronagrafie, telecommunicatie en beveiliging met hoge capaciteit.

Lichtstralen die OAM dragen, zijn begiftigd met eigenaardige verwrongen golffronten, en modi met verschillende OAM staan ​​loodrecht op elkaar en kunnen onafhankelijke informatiekanalen op dezelfde frequentie dragen zonder enige interferentie. Op het gebied van telecom, de potentieel onbegrensde toestandsruimte die deze onbenutte vrijheidsgraad biedt, biedt een veelbelovende oplossing om de informatiecapaciteit van optische netwerken te vergroten en op te lossen, op een duurzame manier, het probleem van frequentieverzadiging, ook wel de 'optical crunch' genoemd, ' deze benadering geldt zowel voor de vrije ruimte als voor de voortplanting van optische vezels.

Momenteel, het is dringend nodig om nieuwe apparaten verder te ontwikkelen die kunnen herconfigureren en schakelen tussen verschillende OAM-modi om de extra vrijheidsgraad die door de OAM wordt geboden, zowel voor klassieke als kwantumcommunicatie volledig te benutten. Tot dusver, conventionele methoden zijn alleen nuttig voor het implementeren van ploegendiensten op de OAM, d.w.z., optellen of aftrekken.

Voor de eerste keer, nieuwe optische elementen zijn ontworpen en vervaardigd om de vermenigvuldiging en deling van het baanimpulsmoment van licht op een compacte en efficiënte manier uit te voeren. De studie is uitgevoerd door Dr. Gianluca Ruffato, Dr. Michele Massari, en Prof. Filippo Romanato bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de Universiteit van Padova, in Italië. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Het belangrijkste element van deze optica wordt weergegeven door een optische transformatie die de azimutale fasegradiënt van de ingangs-OAM-straal in kaart brengt op een cirkelvormige sector. Door meerdere transformaties van circulaire sectoren te combineren in een enkel optisch element, het is mogelijk om de waarde van de input OAM-status te vermenigvuldigen door de fase te splitsen en in kaart te brengen op complementaire circulaire sectoren. Omgekeerd, door meerdere inverse transformaties te combineren, de verdeling van de initiële OAM-waarde kan worden bereikt door afzonderlijke complementaire cirkelvormige sectoren van de ingangsbundel in kaart te brengen in een gelijk aantal cirkelvormige fasegradiënten.

De ontworpen optische elementen zijn vervaardigd in de vorm van geminiaturiseerde en compacte fase-only diffractieve optica met hoge resolutie elektronenstraallithografie, en optisch gekarakteriseerd in het zichtbare bereik om het verwachte vermogen aan te tonen om de OAM van de ingangsbundel te vermenigvuldigen of te delen.

Deze studie kan veelbelovende toepassingen vinden voor de multiplicatieve generatie van OAM-modi van hogere orde, optische informatieverwerking op basis van OAM-straaltransmissie, en optische routering/switching in telecom, zowel in de klassieke als in enkel-foton regimes.