KR20210136979A - 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치와 방법 - Google Patents

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방홍 궈
이롱 허
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사우스 차이나 노멀 유니버시티
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Abstract

본 발명은 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치 및 방법을 제공한다. 상기 생성 장치는 가우시안 광원 모듈, 제1 궤도 각운동량 변조 모듈, 제2 궤도 각운동량 변조 모듈 및 다중화 모듈을 포함한다. 작동 시, 가우시안 광원 모듈은 임의 편광 상태의 가우시안 빔을 생성하고, 다중화 모듈로 진입하며, 다중화 모듈은 가우시안 빔을 수평 편광 방향과 수직 편광 방향의 두 가지 편광 성분으로 분해하고, 각각 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에 도입한다. 변조 모듈은 각각 두 성분에 대해 편광 무관의 궤도 각운동량 변조를 수행하며, 변조된 두 광 성분은 다중화 모듈로 돌아간다. 다중화 모듈은 두 성분의 광을 중첩하며, 마지막으로 궤도 각운동량 상태 또는 중첩 상태를 출력한다. 궤도 각운동량 생성 장치는 구조가 콤팩트하고 제조 원가가 비교적 낮다. 필요한 소자와 기술이 비교적 성숙하여 임의 위상학적 전하의 궤도 각운동량 상태 및 중첩 상태를 고속으로 생성할 수 있으며, 속도는 MHz 수준에 달할 수 있다.

Description

궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치와 방법
본 발명은 양자 정보와 광통신 기술 분야에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치와 방법에 관한 것이다.
양자 암호는 현재 보안성이 입증된 정보 기술이며 고율 원격 전송은 양자 암호에서 해결해야 할 시급한 과제이다. 과학자들은 다중 자유도와 불확실 관계를 이용하여 신호를 다중화하고 변조하면 전송 용량을 확장하고 키 생성률을 높일 수 있음을 발견하였다. 여기에서 궤도 각운동량(OAM)은 편광, 위상 및 파장 등 자유도 이외의 일종의 양자키 변조의 중요 자유도이다. 궤도 각운동량(OAM, Orbital Angular Momentum)이 있는 빔은 위상 인자 exp(ilθ)를 가지며 lh의 궤도 각운동량을 휴대한다. 여기에서 θ는 방위각이고 l은 위상학적 전하이다. 이론적으로 위상학적 전하값 1은 임의 정수값을 취할 수 있고, 상이한 1값의 OAM 상태 사이는 직교하며 무한 차원의 힐베르트 공간(Hilbert space)을 구축할 수 있다. OAM의 이러한 이론적 특성은 양자 정보, 광통신, 광학 미세 조작 및 생물의학 분야에서 널리 응용된다.
현재 나선 위상판, 공간 광 변조기, 원주 렌즈 기반의 모드 변환기 및 q-plate 등과 같이 궤도 각운동량 빔을 생성하는 많은 소자 및 방법이 있다. 그러나 이러한 소자에는 모두 각각의 한계가 있다. 예를 들어 나선 위상판은 단일 모드의 OAM만 구현할 수 있다. 공간 광 변조기는 상이한 OAM 모드의 동적 변조를 구현할 수 있으나 그 응답 속도가 일반적으로 KHz 이하이므로 그 응용 가치가 크게 제한되고, 소자 부피가 커서 집적하기에 불리하다. q-plate는 회전-궤도 각운동량 간의 변환을 구현할 수 있으며 대응하는 OAM 중첩 상태를 생성할 수 있으나, 고차원의 OAM을 생성하기 어려우며 생성된 OAM 모드가 비교적 단일하다.
동시에 종래 기술에서 Alipasha Vaziri 등이 컴퓨터를 채택해 생성한 홀로그램과 간섭 측정의 방법은 OAM 중첩 상태의 제조를 구현하였으나, 생성된 모드가 단일하며 동적 변조를 수행할 수 없다(Alipasha Vaziri，atal.Superpositions of the orbital angular momentum for applications in quantum experiments.Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 2002,4(2), 1-19.). 중산대학(中山大學)의 차이신룬(
Figure pct00001
) 팀은 단일 회랑 모드(WGM) 공진기에 중첩된 각 격자를 집적함으로써 임의 OAM의 중첩 상태를 생성하나, 생성된 OAM 중첩 상태는 입사광의 파장과 직접 관련되어 통신 부문에서의 적용을 제한한다(Xiao, Q，atal.Generation of photonic orbital angular momentum superposition states using vortex beam emitters with superimposed gratings. Optics Express, 2016,24(4), 3168. ). 예를 들어 특허 CN101251655A는 회절 격자와 도브 프리즘을 이용하여 OAM 상태의 중첩을 구현하며, 복수의 상이한 모드의 궤도 각운동량의 역방향 중첩 상태를 생성할 수 있다. 그러나 동적 변조가 아닌 정적 중첩 상태만 생성할 수 있다. 특허 CN101726868A는 동적 OAM 중첩 상태를 생성할 수 있으나 생성 속도는 공간 변조기의 제한을 받아 집적하기 어렵다. 특허 CN104065418A는 집적된 궤도 각운동량 모드 송신기를 구현하였으나 여전히 동적 변조를 수행할 수 없다. 종래 기술에서 중국 특허 CN104007567A는 궤도 각운동량 상태를 조정할 수 있는 와류 빔 생성 시스템 방법을 제공하였다. 상기 방법은 나선 위상판을 이용하여 OAM의 동적 변조를 구현하였으며 OAM의 생성 속도를 향상시켰으나 단일 OAM 상태만 생성할 수 있으며 중첩 상태는 생성할 수 없다.
상기 내용을 종합하면, 현재 종래의 기술은 미래 양자 인코딩과 양자키 분배(QKD)의 응용을 충족시킬 수 없다. 또한 OAM의 연구와 응용을 확장하기 위해서는 구조가 콤팩트하고 집적이 용이하며 모드를 변조할 수 있고 OAM 상태 및 중첩 상태의 소자를 고속으로 생성할 수 있는 요건을 동시에 충족시킬 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점을 극복하기 위해, 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치와 방법을 제공하는 데에 있다. 본 발명은 홀로그래픽 격자 스위치, 나선 위상판 및 전반사경으로 구성된 왕복 광경로를 이용하고, 광 펄스 순환 왕복의 시간을 제어함으로써, 특정한 궤도 각운동량 상태 변조를 구현한다. 편광 빔 분리기와 빔 결합기를 이용하여 직교 편광 성분의 분리와 상호 간섭 중첩을 구현한다. 본 발명의 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치와 방법은 임의 위상학적 전하의 궤도 각운동량 상태 및 그 중첩 상태를 고속으로 생성할 수 있을 뿐만 아니라 구조가 콤팩트하고 집적이 용이하며 제작 원가가 비교적 낮은 특징을 동시에 더 구비한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치를 제공한다. 상기 장치는 가우시안 광원 모듈, 제1 궤도 각운동량 변조 모듈, 제2 궤도 각운동량 변조 모듈 및 다중화 모듈을 포함한다.
상기 가우시안 광원 모듈은 펌핑 광원 및 편광기를 포함한다.
상기 펌핑 광원은 가우시안 펄스광을 생성하는 데 사용되고, 상기 편광기는 가우시안 펄스빔을 필요한 편광 상태로 변조한다.
상기 제1 궤도 각운동량 변조 모듈은 제1 지연기, 제1 4분의1 파장판, 제1 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 나선 위상판 및 제1 전반사경을 포함하고, 상기 제1 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 나선 위상판 및 제1 전반사경은 순차적으로 연결되어 제1 왕복 광경로를 형성한다.
상기 제2 궤도 각운동량 변조 모듈은 제2 지연기, 제2 4분의1 파장판, 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제2 나선 위상판 및 제2 전반사경을 포함하고, 상기 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제2 나선 위상판 및 제2 전반사경은 순차적으로 연결되어 제2 왕복 광경로를 형성한다.
상기 제1 또는 제2 지연기는 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈 중 순환 왕복 변조로 인한 상대 시차를 보완하여 두 경로 성분의 시간 일치성을 보장하는 데 사용된다.
상기 제1 또는 제2 4분의1 파장판이 입사광을 수신한 경우, 입사된 직선 편광이 원편광으로 바뀌며, 상기 원편광이 제1 또는 제2 전반사경을 통해 반사되어 다시 상기 파장판을 지날 경우, 원편광은 입사될 때 편광 상태와 직교되는 직선 편광으로 바뀐다. 즉, 수평 편광을 수직 편광으로 변환하였다.
상기 제1 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치는 레이저를 이용하는 홀로그래픽 기술이다. 홀로그래픽의 형태를 통해 결정체 내부에 브래그 격자를 생성하고, 브래그 격자를 기반으로 빛의 선택적 반사를 구현하며, 그 응답 속도는 나노초 수준에 도달할 수 있다. 전압을 인가하면 브래그 격자는 빔을 반사하고, 전압을 인가하지 않으면 빔이 직접 결정체를 투사한다. 실제 응용에서 다른 투사 또는 반사형의 광 스위치를 이용해 홀로그래픽 격자 스위치를 대체할 수도 있다.
상기 제1 또는 제2 나선 위상판은 광학 두께와 회전 방위각이 정비례하는 순수 위상 회절 광학 요소이다. 그 목적은 빔을 전송하는 위상을 제어하는 것이며, 과정과 편광은 무관하다. 가우시안 빔이 투명한 나선 위상판을 통과할 때, 나선 위상판의 나선형 표면이 투사 빔 광경로를 다르게 변화시키기 때문에, 위상의 변화량도 달라진다. 따라서 투사 빔이 하나의 나선 위상 인자를 생성하며, 그 위상학적 전하는 L0이다.
가우시안 광 펄스가 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에 진입하면, 먼저 제1 또는 제2 지연기를 거친 후, 제1 또는 제2 4분의1 파장판이 빔의 편광 상태에 대해 제1차 회전을 수행하고, 제1 왕복 광경로 또는 제2 왕복 광경로에 진입하며, 제1 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치의 스위칭 시간 제어를 통해, 특정 궤도 각운동량 상태의 변조를 구현할 수 있다. 변조된 광 펄스는 원래의 광경로를 따라 출사된다. 즉, 다시 제1 또는 제2 4분의1 파장판, 제1 또는 제2 지연기를 관통한다. 여기에서 매회 제1 또는 제2 나선 위상판을 관통할 때마다 궤도 각운동량의 위상학적 전하의 절대값에 |L0|이 더해진다. 변조된 광 펄스는 원래의 광경로를 따라 출사되고 상기 다중화 모듈의 빔 결합기로 진입하며 궤도 각운동량 상태 또는 중첩 상태를 중첩 생성한다.
상기 다중화 모듈은 제1 편광 빔 분리기, 제2 편광 빔 분리기, 제3 편광 빔 분리기, 반파장판 및 빔 결합기를 포함한다.
상기 제1, 제2 또는 제3 편광 빔 분리기는 수평 편광광을 투사하고 수직 편광광을 반사한다.
상기 반파장판은 수직 편광광을 수평 편광광으로 변환한다.
상기 빔 결합기는 제2 편광 빔 분리기와 제3 편광 빔 분리기로부터의 수직 편광광을 결합하는 데 사용된다.
전술한 궤도 각운동량 생성 장치가 작동할 때, 가우시안 광원 모듈은 임의 편광 상태의 가우시안 빔을 생성하고 다중화 모듈로 진입한다. 다중화 모듈은 가우시안 빔을 수평 편광 방향과 수직 편광 방향의 두 가지 편광 성분으로 분해하고, 각각 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에 도입한다. 변조 모듈은 각각 두 성분에 대해 편광 무관의 궤도 각운동량 변조를 수행하며, 변조된 두 광 성분은 다중화 모듈로 돌아간다. 다중화 모듈은 두 성분의 광을 중첩하며, 마지막으로 궤도 각운동량 상태 또는 중첩 상태를 출력한다.
본 발명은 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 방법을 더 제공한다. 상기 방법은 하기 단계를 포함한다.
단계 S1: 가우시안 광원 모듈은 생성해야 하는 궤도 각운동량 상태
Figure pct00002
에 따라 대응하는 편광 상태
Figure pct00003
를 생성하고 다중화 모듈에 전송한다.
단계 S2: 전술한 생성된 편광 상태가 다중화 모듈에 진입하면, 먼저 제1 편광 빔 분리기를 통해 상부 우측 두 분기로 나눈다. 우측 분기는 제2 편광 빔 분리기를 거쳐 제1 궤도 각운동량 변조 모듈과 연결되고, 상부 분기는 반파장판과 제3 편광 빔 분리기를 거쳐 제2 궤도 각운동량 변조 모듈과 연결된다. 이때 광의 상태는
Figure pct00004
로 바뀐다.
구체적으로, 상부 분기는 수직 방향 상에서 제1 편광 빔 분리기의 상방 광경로이고, 우측 분기는 수평 방향 상에서 제1 편광 빔 분리기의 우측 광경로이다.
단계 S3: 제1 및 제2 궤도 각운동량 변조 모듈은 생성해야 하는 궤도 각운동량 상태
Figure pct00005
에 따라, 제1 지연기 또는 제2 지연기의 지연 매개변수를 조정하여, 두 경로 빛의 시간 일관성을 보장하고, 여기에서
Figure pct00006
와
Figure pct00007
은 궤도 각운동량 상태이며, L1과 L2는 위상학적 전하이며,
Figure pct00008
이다.
구체적으로, 빛이 제1 홀로그래픽 격자 스위치 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 나선 위상판 또는 제2 나선 위상판, 제1 전반사경 또는 제2 전반사경으로 구성된 왕복 광경로에 있도록 설정한다. 1회 왕복 시간은 T0이고, 1회 나선 위상판을 통해 위상학적 전하는 L0이 더해진다. 제1 지연기와 제2 지연기의 상대 지연은
Figure pct00009
이다. 여기에서
Figure pct00010
와
Figure pct00011
는 정수이다.
단계 S4: 입사광이 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에 동시 진입하고 일정한 지연을 거치며, 제1 또는 제2 4분의1 파장판이 편광 상태에 대해 제1차 편광 회전을 수행한 후, 제1 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 또는 제2 나선 위상판, 제1 또는 제2 전반사경으로 구성된 왕복 광경로에 진입하여 OAM 변조를 수행한다. 여기에서 빛은 제1 궤도 각운동량 변조 모듈에서
Figure pct00012
회 왕복하고, 빛은 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에서
Figure pct00013
회 왕복한다. 변조된 광 펄스는 원래 광경로를 따라 출사된다. 즉, 다시 제1 또는 제2 4분의1 파장판, 제1 또는 제2 지연기를 관통한다. 여기에서 매회 제1 또는 제2 나선 위상판을 관통할 때마다 모두 궤도 각운동량의 위상학적 전하의 절대값에 ｜L0｜이 더해진다. 이때 빛의 상태는
Figure pct00014
로 바뀐다.
단계 S5: 변조된 빛은 지연기의 지연 보상을 거친 후, 동일 시간에 제2 또는 제3 편광 빔 분리기에 의해 반사되며, 빔 결합기를 통해 결합 출력되며, 이때 빛의 최종 상태가
Figure pct00015
로 바뀐다.
전술한 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치와 방법은 그 구조가 콤팩트하고 제조 원가가 비교적 낮다. 필요한 소자와 기술이 비교적 성숙하여 임의 위상학적 전하의 궤도 각운동량 상태 및 중첩 상태를 고속으로 생성할 수 있으며, 속도는 MHz 수준에 달할 수 있다. 여기에서 본 장치의 속도는 홀로그래픽 격자 스위치의 응답 시간에 제한된다.
구체적으로 왕복 시간 T0이 홀로그래픽 격자 스위치의 응답 시간 TS와 같고, 소정의 최대 왕복 횟수가 N이라고 가정하면, 전체 장치의 속도는
Figure pct00016
이다. N=8이고, T0=100ns이면, 전체 장치 속도는 1.25MHz에 달할 수 있다. 스위치 응답 시간 TS가 단축되면 속도는 심지어 GHz 수준까지 달할 수 있다.
본 발명의 유익한 효과는 하기와 같다.
(1) 본 발명이 제공하는 기술적 해결책은 편광 자유도와 OAM 자유도 사이의 상태 변환을 구현할 수 있으며, 입력광의 편광 상태를 직접 제어함으로써 대응하는 궤도 각운동량 상태 또는 중첩 상태를 출력할 수 있다.
(2) 본 발명이 제공하는 기술적 해결책은 임의 궤도 각운동량 상태를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 임의 궤도 각운동량 상태 사이에 중첩 상태를 생성할 수도 있으며, 생성 속도는 MHz 수준으로, 홀로그래픽 격자 스위치의 응답 시간에 의해서만 제한된다.
(3) 본 발명이 제공하는 기술적 해결책은 고전력의 입력광과 호환 가능하며, 전체 구조가 콤팩트하고 제조 비용이 낮은 장점이 있다.
도 1은 본 발명 실시예에서 제공하는 장치의 구조 프레임도이다.
도 2는 본 발명 실시예에서 제공하는 장치의 작업 원리도이다.
도 3은 본 발명 실시예에서 제공하는 방법 작업 흐름도이다.
이하에서는 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시방식을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치는 가우시안 광원 모듈(0), 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1), 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2) 및 다중화 모듈(3)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 가우시안 광원 모듈(0)은 펌핑 광원(001) 및 편광기(002)를 포함한다. 상기 펌핑 광원(001)은 가우시안 펄스광을 생성한다.
상기 편광기(002)는 가우시안 펄스빔을 필요한 편광 상태로 변조한다.
상기 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1)은 제1 지연기(101), 제1 4분의1 파장판(102), 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103), 제1 나선 위상판(104) 및 제1 전반사경(105)을 포함한다.
상기 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2)은 제2 지연기(201), 제2 4분의1 파장판(202), 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203), 제2 나선 위상판(204) 및 제2 전반사경(205)을 포함한다.
상기 제1 지연기(101) 또는 제2 지연기(201)는 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1) 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2) 중 순환 왕복 변조로 인한 상대 시차를 보완하여 두 경로 성분의 시간 일치성을 보장하는 데 사용된다.
상기 제1 4분의1 파장판(102) 또는 제2 4분의1 파장판(202)이 입사광을 수신한 경우, 입사된 직선 편광이 원편광으로 바뀌며, 원편광이 제1 전반사경(105) 또는 제2 전반사경(205)을 통해 반사되어 다시 상기 파장판을 지날 경우, 원편광은 입사될 때 편광 상태와 직교되는 직선 편광으로 바뀐다. 즉, 수평 편광을 수직 편광으로 변환하였다.
상기 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103) 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203)는 레이저를 이용하는 홀로그래픽 기술이다. 홀로그래픽의 형태를 통해 결정체 내부에 브래그 격자를 생성하고, 브래그 격자를 기반으로 빛의 선택적 반사를 구현하며, 그 응답 속도는 나노초 수준에 도달할 수 있다. 전압을 인가하면 브래그 격자는 빔을 반사하고, 전압을 인가하지 않으면 빔이 직접 결정체를 투사한다. 실제 응용에서 다른 투사 또는 반사형의 광 스위치를 이용해 홀로그래픽 격자 스위치를 대체할 수도 있다.
상기 제1 나선 위상판(104) 또는 제2 나선 위상판(204)은 광학 두께와 회전 방위각이 정비례하는 순수 위상 회절 광학 요소이다. 그 목적은 빔을 전송하는 위상을 제어하는 것이며, 과정과 편광은 무관하다. 가우시안 빔이 투명한 나선 위상판을 통과할 때, 나선 위상판의 나선형 표면이 투사 빔 광경로를 다르게 변화시키기 때문에, 위상의 변화량도 달라진다. 따라서 투사 빔이 하나의 나선 위상 인자를 생성하며, 그 위상학적 전하는 L0이다.
광 펄스가 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1) 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2)에 진입하면, 먼저 제1 지연기(101) 또는 제2 지연기(201)를 거친 후, 제1 4분의1 파장판(102) 또는 제2 4분의1 파장판(202)이 빔의 편광 상태에 대해 제1차 회전을 수행하고, 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103), 제1 나선 위상판(104), 제1 전반사경(105)으로 구성된 제1 왕복 광경로 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203), 제2 나선 위상판(204), 제2 전반사경(205)으로 구성된 제2 왕복 광경로로 진입하며, 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103) 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203)의 스위칭 시간 제어를 통해, 특정 궤도 각운동량 상태의 변조를 구현할 수 있다. 변조된 광 펄스는 원래의 광경로를 따라 출사된다. 즉, 다시 제1 4분의1 파장판(102) 또는 제2 4분의1 파장판(202), 제1 지연기(101) 또는 제2 지연기(201)를 관통한다. 여기에서 매회 제1 나선 위상판(104) 또는 제2 나선 위상판(204)을 관통할 때마다 모두 궤도 각운동량의 위상학적 전하의 절대값에 |L0|이 더해진다.
상기 다중화 모듈(3)은 제1 편광 빔 분리기(301), 제2 편광 빔 분리기(302), 제3 편광 빔 분리기(303), 반파장판(304) 및 빔 결합기(305)를 포함한다.
상기 제1 편광 빔 분리기(301), 제2 편광 빔 분리기(302) 또는 제3 편광 빔 분리기(303)는 수평 편광광을 투사하고 수직 편광광을 반사한다.
상기 반파장판(304)은 수직 편광광을 수평 편광광으로 변환한다.
상기 빔 결합기(305)는 제2 편광 빔 분리기(302)와 제3 편광 빔 분리기(303)로부터의 수직 편광광을 결합하는 데 사용된다.
본 발명은 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치를 제공한다. 임의 편광 상태의 가우시안 빔은 가우시안 광원 모듈(0)에서 생성되고, 생성된 빔은 편광 빔 분리기(301, 302, 303), 반파장판(304) 및 빔 결합기(305)로 구성되는 다중화 모듈(3)을 통해 수평 편광 방향과 수직 편광 방향의 두 가지 편광 성분으로 분해되고, 각각 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1) 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2)에 도입된다. 변조 모듈은 나선 위상판(104, 204)을 이용해 각각 두 성분에 대해 편광 무관의 궤도 각운동량 변조를 수행한다. 여기에서 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103) 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203), 제1 나선 위상판(104) 또는 제2 나선 위상판(204), 제1 전반사경(105) 또는 제2 전반사경(205)은 함께 왕복 광경로를 구성하며, 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103) 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203)의 스위칭 시간을 제어함으로써, 특정 궤도 각운동량 상태의 변조를 구현할 수 있다. 변조된 두 광 성분은 다중화 모듈(3)로 돌아간다. 다중화 모듈(3)은 빔 결합기(305)를 이용하여 두 성분 광을 중첩시키고, 마지막으로 궤도 각운동량 상태 또는 중첩 상태를 출력한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 방법에 있어서, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다.
단계 S1: 가우시안 광원 모듈(0)은 생성해야 하는 궤도 각운동량 상태
Figure pct00017
에 따라 대응하는 편광 상태
Figure pct00018
를 생성하고 다중화 모듈(3)에 전송한다.
단계 S2: 전술한 생성된 편광 상태가 다중화 모듈(3)에 진입하면, 먼저 제1 편광 빔 분리기(301)를 통해 상부 우측 두 분기로 나눈다. 우측 분기는 제2 편광 빔 분리기(302)를 거쳐 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1)과 연결되고, 상부 분기는 반파장판(304)과 제3 편광 빔 분리기(303)를 거쳐 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2)과 연결된다. 이때 광의 상태는
Figure pct00019
로 바뀐다.
구체적으로, 상부 분기는 수직 방향 상에서 제1 편광 빔 분리기(301)의 상방 광경로이고, 우측 분기는 수평 방향 상에서 제1 편광 빔 분리기(301)의 우측 광경로이다.
단계 S3: 제1 및 제2 궤도 각운동량 변조 모듈은 생성해야 하는 궤도 각운동량 상태
Figure pct00020
에 따라, 제1 지연기(101) 또는 제2 지연기(201)의 지연 매개변수를 조정하여, 두 경로 빛의 시간 일관성을 보장하고, 여기에서
Figure pct00021
와
Figure pct00022
은 궤도 각운동량 상태이며, L1과 L2는 위상학적 전하이며,
Figure pct00023
이다;
구체적으로, 빛을 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103) 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203), 제1 나선 위상판(104) 또는 제2 나선 위상판(204), 제1 전반사경(105) 또는 제2 전반사경(205)으로 구성된 왕복 광경로에 있도록 설정한다. 1회 왕복 시간은 T0이고, 1회 나선 위상판을 통해 위상학적 전하는 L0이 더해진다. 제1 지연기(101)와 제2 지연기(201)의 상대 지연은
Figure pct00024
이다. 여기에서
Figure pct00025
와
Figure pct00026
는 정수이다.
단계 S4: 입사광이 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1) 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2)에 동시 진입하고 일정한 지연을 거치며, 제1 4분의1 파장판(102) 또는 제2 4분의1 파장판(202)이 편광 상태에 대해 제1차 편광 회전을 수행한 후, 제1 홀로그래픽 격자 스위치(103) 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치(203), 제1 나선 위상판(104) 또는 제2 나선 위상판(204), 제1 전반사경(105) 또는 제2 전반사경(205)으로 구성된 왕복 광경로에 진입하여 OAM 변조를 수행한다.
여기에서 빛은 제1 궤도 각운동량 변조 모듈(1)에서
Figure pct00027
회 왕복하고, 빛은 제2 궤도 각운동량 변조 모듈(2)에서
Figure pct00028
회 왕복한다. 변조된 광 펄스는 원래 광경로를 따라 출사된다. 즉, 다시 제1 4분의1 파장판(102) 또는 제2 4분의1 파장판(202), 제1 지연기(101) 또는 제2 지연기(201)를 관통한다. 여기에서 매회 제1 나선 위상판(104) 또는 제2 나선 위상판(204)을 관통할 때마다 모두 궤도 각운동량의 위상학적 전하의 절대값에 |L0|이 더해진다. 이때 빛의 상태는
Figure pct00029
로 바뀐다.
단계 S5: 변조된 빛은 지연기의 지연 보상을 거친 후, 동일 시간에 제2 편광 빔 분리기(302) 또는 제3 편광 빔 분리기(303)에 의해 반사되며, 빔 결합기(305)를 통해 결합 출력되며, 이때 빛의 최종 상태가
Figure pct00030
로 바뀐다.
전술한 장치와 방법은 그 구조가 콤팩트하고 제조 원가가 비교적 낮다. 필요한 소자와 기술이 비교적 성숙하여 임의 위상학적 전하의 궤도 각운동량 상태 및 중첩 상태를 고속으로 생성할 수 있으며, 속도는 MHz 수준에 달할 수 있다. 여기에서 본 장치의 속도는 홀로그래픽 격자 스위치의 응답 시간에 제한된다.
구체적으로 왕복 시간 T0이 홀로그래픽 격자 스위치의 응답 시간 TS와 같고, 소정의 최대 왕복 횟수가 N이라고 가정하면, 전체 장치의 속도는
Figure pct00031
이다. N=8이고, T0=100ns이면, 전체 장치 속도는 1.25MHz에 달할 수 있다. 스위치 응답 시간 TS가 단축되면 속도는 심지어 GHz 수준까지 달할 수 있다.
전술한 명세서에 개시된 내용과 시사점을 기반으로 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자는 전술한 실시방식을 변경 및 수정할 수도 있다. 따라서 본 발명은 상기에서 개시 및 설명한 구체적인 실시방식에 제한되지 않으며, 본 발명에 대한 일부 수정 및 변경도 본 발명의 청구범위의 보호 범위 내에 속한다. 또한 본 명세서에 일부 특정한 용어를 사용하였으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것이므로 본 발명을 제한하지 않는다.
0: 가우시안 광원 모듈
1: 제1 궤도 각운동량 변조 모듈
2: 제2 궤도 각운동량 변조 모듈
3: 다중화 모듈
001: 펌핑 광원
002: 편광기
101: 제1 지연기
102: 제1 4분의1 파장판
103: 제1 홀로그래픽 격자 스위치
104: 제1 나선 위상판
105: 제1 전반사경
201: 제2 지연기
202: 제2 4분의1 파장판
203: 제2 홀로그래픽 격자 스위치
204: 제2 나선 위상판
205: 제2 전반사경이다.
301: 제1 편광 빔 분리기
302: 제2 편광 빔 분리기
303: 제3 편광 빔 분리기
304: 반파장판
305: 빔 결합기

Claims (10)

  1. 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 장치에 있어서,
    상기 장치는 가우시안 광원 모듈, 제1 궤도 각운동량 변조 모듈, 제2 궤도 각운동량 변조 모듈 및 다중화 모듈을 포함하고;
    상기 가우시안 광원 모듈은 펌핑 광원 및 편광기를 포함하고;
    상기 펌핑 광원은 가우시안 펄스광을 생성하는 데 사용되고; 상기 편광기는 가우시안 펄스빔을 필요한 편광 상태로 변조하고;
    상기 제1 궤도 각운동량 변조 모듈은 제1 지연기, 제1 4분의1 파장판, 제1 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 나선 위상판 및 제1 전반사경을 포함하고, 상기 제1 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 나선 위상판 및 제1 전반사경은 순차적으로 연결되어 제1 왕복 광경로를 형성하고;
    상기 제2 궤도 각운동량 변조 모듈은 제2 지연기, 제2 4분의1 파장판, 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제2 나선 위상판 및 제2 전반사경을 포함하고, 상기 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제2 나선 위상판 및 제2 전반사경은 순차적으로 연결되어 제2 왕복 광경로를 형성하고;
    상기 다중화 모듈은 제1 편광 빔 분리기, 제2 편광 빔 분리기, 제3 편광 빔 분리기, 반파장판 및 빔 결합기를 포함하고;
    상기 가우시안 펄스는 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈로 진입한 후, 제1 또는 제2 지연기를 지난 다음, 제1 또는 제2 4분의1 파장판을 거쳐 빔의 편광 상태에 대해 제1차 회전을 수행하고, 이어서 상기 제1 또는 제2 왕복 광경로로 진입하며, 제1 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치의 스위칭 시간을 제어함으로써, 궤도 각운동량 상태의 변조를 완료하고, 변조된 광 펄스는 원래의 광경로를 따라 출사되어 상기 다중화 모듈의 빔 결합기로 진입하고, 궤도 각운동량 상태 또는 중첩 상태를 중첩 생성하는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 지연기는 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈 중 순환 왕복 변조로 인한 상대 시차를 보완하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 4분의1 파장판이 입사광을 수신한 경우, 입사된 직선 편광이 원편광으로 바뀌며; 상기 원편광이 제1 또는 제2 전반사경을 통해 반사되어 다시 상기 파장판을 지날 경우, 원편광은 입사될 때 편광 상태와 직교되는 직선 편광으로 바뀌는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치는 결정체 내부에 브래그 격자를 생성하고, 브래그 격자를 통해 빛의 선택성 반사를 완료하는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    전압을 인가하면, 상기 브래그 격자는 빔을 반사하고, 전압을 인가하지 않으면 빔이 직접 결정체를 투사하는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 나선 위상판은 광학 두께와 회전 방위각이 정비례하는 순수 위상 회절 광학 요소인 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 또는 제3 편광 빔 분리기는 수평 편광광을 투사하고, 수직 편광광을 반사하는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반파장판은 수직 편광광을 수평 편광광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 빔 결합기는 제2 편광 빔 분리기와 제3 편광 빔 분리기로부터의 수직 편광광을 결합하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 장치.
  10. 제1항에 따른 궤도 각운동량을 편광 변조하는 궤도 각운동량 생성 방법에 있어서, 상기 방법은,
    가우시안 광원 모듈은 생성해야 하는 궤도 각운동량 상태
    Figure pct00032
    에 따라 대응하는 편광 상태
    Figure pct00033
    를 생성하고 다중화 모듈에 전송하는 단계 S1;
    생성한 편광 상태가 다중화 모듈에 진입할 때, 먼저 제1 편광 빔 분리기를 통해 상부 우측 두 분기로 나누고, 우측 분기는 제2 편광 빔 분리기를 거쳐 제1 궤도 각운동량 변조 모듈과 연결되며, 상부 분기는 반파장판과 제3 편광 빔 분리기를 거쳐 제2 궤도 각운동량 변조 모듈과 연결되며, 이때 빛의 상태는
    Figure pct00034
    로 바뀌는 단계 S2;
    제1 및 제2 궤도 각운동량 변조 모듈은 생성해야 하는 궤도 각운동량 상태
    Figure pct00035
    에 따라, 제1 지연기 또는 제2 지연기의 지연 매개변수를 조정하여, 두 경로 빛의 시간 일관성을 보장하고, 여기에서
    Figure pct00036
    와
    Figure pct00037
    은 궤도 각운동량 상태이며, L1과 L2는 위상학적 전하이며,
    Figure pct00038
    인 단계 S3:
    입사광이 제1 또는 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에 동시에 진입하고 지연을 거치며, 제1 또는 제2 4분의1 파장판이 편광 상태에 대해 제1차 편광 회전을 수행한 후, 제1 또는 제2 홀로그래픽 격자 스위치, 제1 또는 제2 나선 위상판, 제1 또는 제2 전반사경으로 구성된 왕복 광경로로 진입하여 OAM 변조를 수행하는 단계 S4:
    여기에서 빛은 제1 궤도 각운동량 변조 모듈에서
    Figure pct00039
    회 왕복하고, 빛은 제2 궤도 각운동량 변조 모듈에서
    Figure pct00040
    회 왕복하고, 변조된 광 펄스는 원래 광경로를 따라 출사되고; 및
    변조된 빛은 지연기의 지연 보상을 거친 후, 동일 시간에 제2 또는 제3 편광 빔 분리기에 의해 반사되며, 빔 결합기를 통해 결합 출력되며, 이때 빛의 최종 상태가
    Figure pct00041
    로 변경되는 단계 S5;를 포함하는 것을 특징으로 하는 궤도 각운동량 생성 방법.
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