ITAR20130023A1 - Sistema per la generazione e la gestione di momento angolare orbitale nella radiazione elettromagnetica mediante l'utilizzo di lenti speciali - system for generation and management of orbital angular momentum in an electromagnetic radiation by means - Google Patents

Sistema per la generazione e la gestione di momento angolare orbitale nella radiazione elettromagnetica mediante l'utilizzo di lenti speciali - system for generation and management of orbital angular momentum in an electromagnetic radiation by means

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Description

CAMPO DI APPLICAZIONE DELL’INVENZIONE
La presente invenzione si riferisce a sistemi di comunicazione che usano antenne radio e in particolare alla generazione, nella radiazione elettromagnetica, di momento angolare orbitale (Orbital Angolar Momentum - OAM) tramite una “lente†con caratteristiche di rifrazione distribuite in maniera opportuna.
BACKGROUND
La teoria classica dell’elettromagnetismo mostra che la radiazione elettromagnetica trasporta sia energia sia momento angolare.
Il momento angolare può essere suddiviso nella componente SAM (Spin Angular Momentum) ovvero la polarizzazione e la componente OAM (Orbital Angular Momentum).
Recentemente sono state valutate le implicazioni pratiche dell’utilizzazione del OAM della radiazione elettromagnetica in particolare nella frequenza radio (B. Thidà ̈, H. Then, J. Sj ̈ oholm, K. Palmer, J. E. S. Bergman, T. D. Carozzi, Y. N. Istomin, N. H. Ibragimov, and R. Khamitova, “Utlilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain,†Phys. Rev. Lett., vol.99, no.8, p.087701, 22 August 2007).
I modi OAM sono generati dalla rotazione del fronte di fase della radiazione per cui la radiazione appunto si “attorciglia†attorno alla direzione di propagazione nella maniera mostrata in Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.4.
Più specificamente, la Fig. 1 rappresenta una radiazione in assenza di OAM (m = 0), le Fig. 2, 3 e 4 rappresentano radiazioni con OAM e, rispettivamente, m = 1, m = 2, m = 3.
Il parametro "m†à ̈ il numero che identifica i “modi†di OAM ed à ̈ una notazione presa a prestito dalla meccanica quantistica dove “m†à ̈ appunto il numero quantico corrispondente al momento angolare orbitale.
Per generare radiazione con OAM Ã ̈ necessario quindi creare un opportuno sfasamento tra diversi componenti della radiazione in maniera tale appunto da generare la rotazione del fronte di fase.
Le frequenze dello spettro radio - con il proliferare di sistemi di telecomunicazione e radar -risultano essere una risorsa sempre meno disponibile e questo comporta sicuramente una limitazione nello sviluppo dei sistemi menzionati.
L’utilizzazione quindi di una nuova caratteristica della radiazione (appunto l’OAM) potrà quindi permettere un uso più efficiente dello spettro radio disponibile per esempio tramite il riutilizzo della medesima frequenza con OAM differenti.
Si pone quindi la necessità di realizzare nuovi sistemi di telecomunicazione e antenne, sufficientemente versatili e modulabili, in grado di generare onde elettromagnetiche provviste di OAM.
Nel presente brevetto si propone di utilizzare una “lente†particolare composta da un materiale con indice di rifrazione distribuito spazialmente in maniera opportuna e tale da ritardare la fase della radiazione incidente per generare i modi OAM desiderati sia con m>0 (avvitamento con verso orario) che con m<0 (avvitamento con verso antiorario).
SOMMARIO
Scopo della presente invenzione à ̈ sviluppare un sistema che permetta la generazione e la ricezione di radiazione elettromagnetica provvista di OAM.
I modi OAM in una radiazione possono essere generati combinando la radiazione da diverse sorgenti opportunamente sfasate temporalmente in maniera periodica oppure introducendo un appropriato sfasamento spaziale (sempre periodico) nella radiazione e questo secondo metodo à ̈ stato preso in considerazione per la definizione del presente brevetto.
E’ stata identificata una lente da posizionare in corrispondenza dell’elemento radiante di un antenna - oppure all’interno di un guida d’onda- per creare uno sfasamento dell’onda incidente sulla lente tale da generare un avanzamento del fronte d’onda in forma elicoidale. Questo che caratterizza appunto la radiazione con OAM.
Analogamente al caso che prevede la generazione di modi OAM con m>0, la lente può agire in maniera opposta generando modi OAM di segno opposto (m<0), sottraendo quindi momento angolare orbitale da una radiazione che sia provvista di OAM positivo. Il risultato potrà quindi essere di eliminare o ridurre - sempre tramite la lente proposta - i modi OAM da una radiazione entrante.
La lente proposta può essere di tipo e forma qualsiasi (es. concava, convessa, piana, sferica, asferica, ecc.) e dipendente dalle necessità pratiche specifiche (fascio, convergente, divergente, ecc.). A scopo descrittivo nel presente brevetto viene considerato il semplice caso di lente piana di forma cilindrica tenendo presente che le considerazioni fatte per tale lente possono essere estese ad altri tipi di lente.
La lente à ̈ costituita da materiale tradizionale (dielettrico) o da metamateriale, con una distribuzione di indice di rifrazione tale da generare uno sfasamento e quindi una rotazione del fronte di fase.
E’ noto che le proprietà di un dielettrico come permettività e permeabilità possano essere modellizzate utilizzando circuiti L-C distribuiti. In questo caso il metamateriale à ̈ costituito da una matrice di circuiti con elementi capacitivi (per riprodurre la permettività elettrica “ε†) ed elementi induttivi (per riprodurre la permeabilità magnetica “µâ€ ).
Un esempio conosciuto di metamateriale può essere rappresentato dai sistemi basati su “splitring resonators†(Fig.5) composto appunto da matrici di circuiti LC denominati split-rings . L’impiego di metamateriali può essere un vantaggio, rispetto ai materiali tradizionali, perché le caratteristiche di permettività e permeabilità, e quindi l’indice di rifrazione “n†del mezzo ( ), possono essere scelte e distribuite spazialmente all’interno della lente nella maniera voluta.
Per comprendere la relazione tra forma del fronte di fase e presenza di modi OAM, possiamo partire dalla equazione d’onda nella sua forma più generale in 3 dimensioni:
Assumendo di potere scomporre la parte spaziale da quella temporale, la funzione d’onda può essere riscritta come:
Î ̈(x,y,z,t)=ε0(x,y,z) e<–i(kz-ωt)>
Per un fascio direzionale (per es. laser o fascio concentrato) dove l’intensità di radiazione à ̈ confinata in prossimità dell’asse di propagazione z, si può utilizzare l’equazione d’onda nell’approssimazione “parassiale†valida per un fascio definito “gaussiano†dove l’intensità di radiazione segue un profilo gaussiano rispetto alla direzione di propagazione. Con le approssimazioni indicate l’equazione d’onda risulta quindi:
La soluzione generale in coordinate cilindriche (Ï ,Ï‘,z) Ã ̈:
• Dove L<+>*à ̈ la funzione di Laguerre ed “m†e “p†sono rispettivamente gli indici dei modi azimutali (Ï‘) e radiali (Ï ). Per l’analisi dei OAM solamente il modo azimutale sono di interesse e quindi si considerano solo il caso con indice p=0. La funzione di Laguerre ) = 1 per qualsiasi valore di m e x.
• w à ̈ proporzionale alla larghezza del fascio (distanza dall’asse z per la quale il valore di ampiezza diminuisce di 1/e)
• k à ̈ il numero d’onda = 2 Ï€/λ , dove λ à ̈ la lunghezza d’onda della radiazione utilizzata • R à ̈ il raggio di curvatura del fronte d’onda.
La soluzione completa dell’equazione d’onda risulta quindi :
I primi tre fattori caratterizzano il valore dell’ampiezza di radiazione mentre i secondi tre il valore della fase.
Trascurando, in prima approssimazione, la curvatura del fronte di fase (quindi R→∞) risulta che per la presenza del termine “m ·ϑ†il fronte di fase ha una forma elicoidale con passo m·λ (lunghezza d’onda λ =2π/k).
Per generare il movimento elicoidale nella radiazione, si propone di utilizzare una lente con indice di rifrazione crescente, nella direzione azimutale Ï‘ (rispetto alla direzione di propagazione della radiazione). La parte di lente con indice di rifrazione maggiore rallenta la radiazione con l†̃effetto di ritardare progressivamente lungo Ï‘ la fase determinando l’avanzamento del fronte di fase elicoidale (generazione di OAM).
Bisogna infine identificare un possibile criterio per definire la distribuzione opportuna dei valori d’indice di rifrazione della lente per generare i modi OAM voluti.
Assumiamo di utilizzare una lente piana (cilindrica) divisa in spicchi di materiale con indice di rifrazione diverso e crescente nella direzione azimutale (Fig.10)
La velocità d’onda in un mezzo à ̈ data da v =c/n (legge di rifrazione di Snell) dove c à ̈ la velocità della radiazione nel vuoto e n à ̈ l’indice di rifrazione del mezzo.
La radiazione viene quindi rallentata maggiormente nelle parti di lente (spicchi) con indice di rifrazione più alto.
Come detto il “passo†dell’elicoide descritto dal fronte d’onda di una radiazione provvista di OAM à ̈ pari a m· λ e quindi bisogna imporre il ritardo di fase sia appunto pari al passo dell’elicoide.
Considerando una lente di spessore “d†si ha che il valore di indice di rifrazione in ogni spicchio dovrà essere pari a:
Se, per esempio, consideriamo una lente di spessore 2·λ composta da 6 spicchi (quindi ϑi= (i-1) · π/3 , i=1..6) e OAM con m= 1, i valori di indice di rifrazione saranno
Si nota che per la generazione di OAM Ã ̈ possibile agire sia sullo spessore della lente sia sui valori di indice di rifrazione.
Risulta quindi che a parità di valori di indice di rifrazione in ogni spicchio di lente, l’incremento dello spessore della lente genera OAM con m superiore.
Il criterio individuato di composizione della lente e distribuzione dei valori di indice di rifrazione (definito nella formula 5) à ̈ solo un possibile esempio e altri criteri possono essere individuati. Oltre al caso discreto, può essere presa in considerazione una lente con un incremento continuo dell’indice di rifrazione lungo la direzione azimutale. In questo caso la distribuzione di indice di rifrazione può essere regolata dalla seguente relazione:
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Le Figg.1, 2, 3, 4 illustrano alcune radiazioni con diverso valore di OAM.
La Fig. 5 mostra un esempio di metamateriale con proprietà elettromagnetiche selezionabili in base al dimensionamento degli elementi costituenti (matrice di Split Ring Resonators).
In Fig. 6 Ã ̈ mostrata la generazione di modi OAM in una radiazione tramite il passaggio attraverso una lente con indice di rifrazione crescente nella direzione azimutale
In Fig. 7 Ã ̈ mostrata la generazione modi OAM in una radiazione tramite il passaggio attraverso una lente multipla.
In Fig. 8 Ã ̈ mostrata la sottrazioni modi OAM in una radiazione tramite il passaggio attraverso una lente con indice di rifrazione decrescente nella direzione azimutale (opposto al verso della Fig. 6).
La Fig. 9 mostra lo schema per la generazione di OAM nella radiazione in trasmissione e la sottrazione di OAM dalla radiazione in ricezione.
La Fig. 10 mostra il sistema di generazione di modi OAM tramite lente cilindrica divisa in spicchi con indice di rifrazione crescente in direzione azimutale.
La Fig.11 mostra un esempio di metamateriale con caratteristiche fisiche riconfigurabili (matrice di condensatori con capacità modulabile tramite Varactors diodes).
La Fig.12 mostra lo schema di funzionamento per il sistema provvisto di lente modulabile.
La Fig. 13 mostra il sistema di comunicazione in radiofrequenza composto da antenna direttiva provvista di lente per la generazione di modi OAM.
La Fig. 14 mostra il sistema di comunicazione in radiofrequenza composto da una guida d’onda provvista di lente per la generazione di modi OAM.
DESCRIZIONE
Il sistema base (Fig. 6) proposto à ̈ composto da una radiazione entrante (103) che attraversa una lente (104) che ha un indice di rifrazione †n†crescente nella direzione azimutale. L’effetto della lente (104) à ̈ quello di generare modi OAM nella radiazione in uscita (105) con un indice dipendente dalla distribuzione di n e dallo spessore della lente.
Il sistema può essere anche composto da più lenti (104) “impilate†in serie (Fig. 7) per generare modi OAM nella radiazione uscente (106) con indici multipli rispetto al caso della lente singola.
Ovviamente come viene mostrato in Fig. 8 una lente (108) può agire in maniera opposta sottraendo modi OAM da una radiazione entrante (105) che ne sia provvista.
In Fig.9 si può vedere che l’uso delle lenti proposte permette quindi di :
• generare o incrementare l’OAM (105) da una radiazione in trasmissione priva di modi OAM (103);
• far propagare il segnale portante provvisto di modi OAM (105 e 107) ; tale segnale non interferirebbe quindi con altri segnali con la medesima frequenza e polarità ma differenti modi OAM;
• eliminare o ridurre l’OAM della radiazione in ricezione (109).
Una possibile composizione della lente (e distribuzione di indice di rifrazione) viene mostrata in Fig. 10. La lente (111) à ̈ suddivisa in un certo numero di “spicchi†con indice di rifrazione crescente. Il valore di indice di rifrazione da scegliere per ogni spicchio dipende dal modo OAM che si vuole generare e dalla lunghezza d’onda della radiazione considerata in accordo con la formula (5).
Si può anche ipotizzare una distribuzione di indice di rifrazione che prevede un incremento lungo la direzione azimutale continuo che viene regolato dalla formula (6).
Nello specifico la lente può essere costituita da:
A. materiale tradizionale (es. polistirene, politene) con proprietà refrattive predeterminate B. metamateriale con proprietà refrattive fissate e predeterminate come ad esempio una matrice (102) di Split Ring Resonators (101) come quella mostrata in Fig.5
C. metamateriale modulabile con proprietà refrattive riconfigurabili per permettere l’utilizzo con frequenze diverse e per generare modi OAM diversi.
Le lenti A e B sono di tipo “statico†con caratteristiche fisiche predeterminate (distribuzione di indice di rifrazione e spessore) definite per una certa lunghezza d’onda. Tali lenti possono essere impiegate - se interposte nel cammino ottico di un fascio direttivo - per generare o eliminare modi OAM nel fascio entrante.
La lente di tipo C permette di impostare le caratteristiche fisiche della lente stessa (fondamentalmente la distribuzione degli indici di rifrazione) per permettere la generazione di modi OAM differenti per lunghezze d’onda diverse. In secondo luogo questo tipo di lente può consentire di modulare i modi OAM aumentando quindi gli “stati†del segnale e dunque le informazioni e i dati trasmissibili.
La modulazione dei parametri della lente può essere eseguita agendo sui vari elementi del metamateriale (es. circuiti LC) determinandone le caratteristiche fisiche di permettività e permeabilità e quindi l’indice di rifrazione.
Esistono diverse tecniche per consentire la modulazione delle caratteristiche fisiche di un metamateriale. Una possibilità à ̈ costituita da matrici di elementi capacitivi con capacità regolabile come per esempio i dispostivi denominati “varactors†(o diodi “varicap†) che sono appunto componenti elettronici con capacità variabile. Un diodo “varicap†à ̈ quindi un condensatore con capacità variabile che può essere modulata agendo sulla tensione di polarizzazione inversa del diodo. Un esempio di metamateriale modulabile basato su varicap à ̈ schematizzato nella Fig.11.
Una seconda possibilità di realizzare una lente modulabile à ̈ costituita dall’utilizzo di materiale ferroelettrico.
La ferroelettricità à ̈ una proprietà di alcuni materiali solidi (cristalli e materiali ceramici). Questi materiali vengono polarizzati con l'applicazione di un campo elettrico, e mantengono la polarizzazione anche dopo lo spegnimento del campo stesso. La polarizzazione e quindi sia la permettività sia l’indice di rifrazione del materiale dipendono dal campo elettrico al quale il materiale à ̈ sottoposto e questo ne permette la modulazione.
In conclusione un sistema completo di comunicazione (Fig.13) Ã ̈ composto da:
1. elemento radiante e feedhorn (110)
2. lente per generare/eliminare modi OAM (104) dalla radiazione in trasmissione o in ricezione
3. concentratore di radiazione (118)
In alternativa al sistema descritto in Fig. 13 à ̈ possibile posizionare la lente (104) in una guida d’onda (120) trasversalmente rispetto alla direzione di propagazione dell’onda come mostrato in Fig. 14. In questa maniera la radiazione à ̈ già provvista di OAM quando viene emessa dal feed (110)
Nel caso particolare di lente di metamateriale con caratteristiche modulabili e programmabili sarà necessario prevedere inoltre (Fig.12):
4. uno o più dispositivi di input (114) per impostare le caratteristiche della radiazione in uscita dalla lente (es. modi OAM voluti);
5. un software per la conversione dei segnali di input in nei comandi necessari a impostare le caratteristiche fisiche della lente (es. la distribuzione degli indici di rifrazione nel mezzo);
6. un processore (115) tramite il quale elaborare i dati di input e definire i comandi necessari;
7. una serie di attuatori (116) - come per esempio potenziometri digitali - operanti sui vari elementi del metamateriale della lente per determinarne le caratteristiche fisiche di rifrattività.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo per la generazione di OAM in una radiazione composto da una lente, realizzata in un materiale idoneo e caratterizzata da: a) forma di un solido di rivoluzione con l’asse di rivoluzione parallelo alla direzione di propagazione della radiazione; b) un gradiente di indice di rifrazione lungo la direzione di rivoluzione, ovvero la direzione perpendicolare all’asse di rotazione e alla direzione radiale (Fig. 9), con un valore proporzionale alla lunghezza d'onda utilizzata e alle modalità OAM desiderate e inversamente proporzionale allo spessore della lente (formule 5 e 6); c) uno spessore dipendente dalla lunghezza d’onda utilizzata a dai modi OAM desiderati, ma non inferiore alla lunghezza d’onda utilizzata.
  2. 2. Il dispositivo del punto 1) in cui la lente à ̈ realizzata in materiale dielettrico standard.
  3. 3. Il dispositivo del punto 1) in cui la lente à ̈ realizzata in metamateriale.
  4. 4. Un dispositivo compost da lenti come quella definita al punto 1) impilate lungo la direzione dell’asse di rivoluzione.
  5. 5. Il dispositivo del punto 1 in cui la lente à ̈ realizzata in metamateriale riconfigurabile.
  6. 6. Un sistema composto da: a) Un dispositivo come definito al punto 5); b) Un dispositivo di input (ad esempio tastiera, touch screen, etc…) per impostare le caratteristiche della radiazione uscente dal dispositivo definito al punto 5); c) Un processore ed un software per elaborare i dati in ingresso e definire i valori e la distribuzione degli indici di rifrazione del dispositivo definito al punto 5); d) Un dispositivo di attuazione per fornire i comandi (ad esempio livelli di tensione da applicare) per configurare le caratteristiche dell’indice di rifrazione della lente.
  7. 7. Un sistema di comunicazione per rice/trasmissione costituito da: a) elemento radiante; b) concentratore di radiazione; c) dispositivo per la generazione di modi OAM come definito al punto 1) o al punto 2) o al punto 3) o al punto 4) o al punto 5) o nel sistema al punto 6).
  8. 8. Un sistema costituito da una guida d’onda per radio-comunicazioni comprensivo di un dispositivo come definito al punto 1) o al punto 2) o al punto 3) o al punto 4) o al punto 5) o nel sistema al punto 6) (Fig.14).
  9. 9. Un metodo per la generazione di modi OAM in una radiazione consistente nel far attraversare alla radiazione stessa una lente come definite al punto 1) o al punto 2) o al punto 3) o al punto 4) o al punto 5).
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