Optiska strålar som bär orbital vinkelmoment (OAM) har väckt ökad uppmärksamhet under de senaste decennierna, uppvisar störande tillämpningar inom ett brett spektrum av områden:partikelfångning och pincett, högupplöst mikroskopi, astronomisk koronografi, hög kapacitet telekommunikation och säkerhet.

Ljusstrålar som bär OAM är utrustade med märkliga vridna vågfronter, och lägen med olika OAM är ortogonala mot varandra och kan bära oberoende informationskanaler på samma frekvens utan störningar. På telekomområdet, det potentiellt obegränsade tillståndsutrymmet som tillhandahålls av denna oexploaterade grad av frihet erbjuder en lovande lösning för att öka informationskapaciteten i optiska nätverk och lösa, på ett hållbart sätt, problemet med frekvensmättnad, annars kallat "optisk knas", Detta tillvägagångssätt är giltigt både för utbredning av fritt utrymme och optisk fiber.

För närvarande, det är angeläget att vidareutveckla nya enheter som kan omkonfigurera och växla mellan distinkta OAM-lägen för att fullt ut utnyttja den extra grad av frihet som OAM ger både för klassisk och kvantkommunikation. Än så länge, konventionella metoder är endast användbara för att implementera skiftoperationer på OAM, dvs. addition eller subtraktion.

För första gången, nya optiska element har designats och tillverkats för att utföra multiplikationen och divisionen av ljusets omloppsvinkelmoment på ett kompakt och effektivt sätt. Studien har utförts av Dr. Gianluca Ruffato, Dr Michele Massari, och professor Filippo Romanato vid institutionen för fysik och astronomi vid Padovas universitet, i Italien. Forskningsresultaten har nyligen publicerats i Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Nyckelelementet i denna optik representeras av en optisk transformation som kartlägger den azimutala fasgradienten för den ingående OAM-strålen på en cirkulär sektor. Genom att kombinera flera cirkulära sektorstransformationer till ett enda optiskt element, det är möjligt att multiplicera värdet av det ingående OAM-tillståndet genom att dela upp och avbilda fasen på komplementära cirkulära sektorer. Omvänt, genom att kombinera flera inversa transformationer, uppdelningen av det initiala OAM-värdet kan uppnås genom att avbilda distinkta komplementära cirkulära sektorer av ingångsstrålen till ett lika stort antal cirkulära fasgradienter.

De designade optiska elementen har tillverkats i form av miniatyriserad och kompakt fasdiffraktiv optik med högupplöst elektronstrålelitografi, och optiskt karakteriserad i det synliga området för att demonstrera den förväntade förmågan att antingen multiplicera eller dividera OAM för ingångsstrålen.

Denna studie kan hitta lovande tillämpningar för den multiplikativa generationen av högre ordningens OAM-lägen, optisk informationsbehandling baserad på OAM-stråleöverföring, och optisk routing/växling inom telekom, både i det klassiska och enfotonregimen.