Newswise — Орбитальный угловой момент (OAM) — это особая оптическая степень свободы (DoF), которая позволяет генерировать физически неограниченный набор ортогональных мод, которые могут широко применяться для оптической связи и обработки информации со сверхвысокой производительностью и скоростью. Хотя управление OAM привело к большим достижениям, манипулирование OAM в настоящее время остается на уровне одной степени свободы в интегрированных системах, что означает, что мультиплексное манипулирование OAM с другими оптическими степенями свободы в субволновом масштабе все еще является сложной задачей, что значительно ограничивает дальнейшее применение OAM. в области нанофотоники, интегральной оптики, оптической техники и т. д.

Чтобы решить эту проблему, в новой статье (https://doi.org/10.1038/s41377-024-01420-6), опубликованной в Световая наука и приложения группа ученых под руководством профессора Чжан-Кай Чжоу из Университета Сунь Ятсена, Китай, предложила идею мультиплексированных когерентных пикселей (MCP) для метаповерхностей, которые не только реализуют полный контроль амплитуды и фазы падающего света. плоских волн и волн ОАМ, но также обеспечивает мультиплексное манипулирование ОАМ и длиной волны.

Исследователи завершили проектирование метаповерхностей MCP в три этапа, которые можно свести к следующему:

«1. Определение оптимизированных геометрических параметров наностолбиков, чтобы обеспечить способность эффективно реагировать на несколько независимых длин волн без перекрестных помех. 2. Установление связи между углом поворота наностолбиков и комплексной амплитудой прошедшей волны, обеспечивающей развязку и независимое управление фазой и амплитудой. 3. С помощью соответствующих алгоритмов определяются комплексно-амплитудные компоненты восстановленных сигналов и подтверждается специфическое расположение наностолбиков».

Благодаря возможности мультиплексного управления OAM и длиной волны с помощью метаповерхностей MCP могут быть изобретены новые функции и приложения. Исследователи заявляют, что:

«Во-первых, метаповерхность MCP может обеспечить произвольное управление комплексной амплитудой передаваемого света, а также расширяет тип падающего света, на который метаповерхность может одновременно реагировать, от OAM или плоской волны на них обоих. Во-вторых, благодаря возможности реализации мультиплексной манипуляции ОАМ и длиной волны мы достигаем 10 каналов записи информации для однослойной метаповерхности. Когда эти каналы используются для интеграции печатных и голограммных изображений, мы можем уменьшить отношение размера основного пикселя к числу каналов до 0,064 мкм.²/channel, что является новым рекордом интеграции печатных и голограммных изображений однослойной метаповерхностью с произвольным управлением комплексной амплитуды».

Кроме того, они демонстрируют, что метаповерхности MCP могут пространственно разделять свет OAM с разными топологическими зарядами и длинами волн, то есть служить нанофотонным устройством демультиплексора OAM с разными длинами волн. Об этой функции редко сообщается в области метаповерхностей, и считается, что она имеет большой потенциал для будущих оптических коммуникаций.

Таким образом, эта работа не только обогащает средства манипулирования светом, поднимая манипулирование OAM с уровня с одной степенями свободы до уровня с несколькими степенями свободы, но также дает ценную информацию для будущего проектирования современных фотонных устройств. Более того, благодаря дополнительным структурным проектам и оптимизации алгоритмов, метаповерхности MCP, как полагают, обладают способностью одновременно манипулировать большим количеством оптических степеней свободы, что открывает многообещающие возможности для создания новых многофункциональных нанофотонных устройств в будущем.

###

Ссылки

DOI

10.1038/s41377-024-01420-6

Исходный URL-адрес источника

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01420-6

Информация о финансировании

Эта работа частично поддерживалась Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (2021YFA1400804) и Национальными фондами естественных наук Китая (12222415, 11974437).

О Свет: наука и приложения

Свет: наука и приложения в первую очередь будет публиковать новые результаты исследований по новейшим и новым темам оптики и фотоники, а также освещать традиционные темы оптической техники. В журнале будут публиковаться оригинальные статьи и обзоры, которые отличаются высоким качеством, вызывают большой интерес и имеют далеко идущие последствия.