RU2777799C1 - Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with orbital angular moments (oam) - Google Patents

Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with orbital angular moments (oam) Download PDF

Info

Publication number
RU2777799C1
RU2777799C1 RU2021121525A RU2021121525A RU2777799C1 RU 2777799 C1 RU2777799 C1 RU 2777799C1 RU 2021121525 A RU2021121525 A RU 2021121525A RU 2021121525 A RU2021121525 A RU 2021121525A RU 2777799 C1 RU2777799 C1 RU 2777799C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oam
scalar
beams
optical system
phase
Prior art date
Application number
RU2021121525A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александра Дмитриевна Гартман
Александр Сергеевич ШОРОХОВ
Андрей Анатольевич Федянин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2777799C1 publication Critical patent/RU2777799C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: microelectronics.
SUBSTANCE: invention relates to microelectronics, namely to integral optical elements, in particular to dielectric metasurfaces with a complex geometric profile, which can be used in the field of quantum communications to protect data during transmission over broadband communication channels by increasing the dimension of Hilbert space through the use of scalar beams with orbital angular momentum (OAM). The system for spatial separation of scalar beams with OAM is based on the use of two dielectric metasurfaces with a certain surface morphology and consisting of silicon nanoresonators: nanodiscs with magnetodipole resonance in the IR range. Under these conditions, the optical system will perform a camphor coordinate transformation (a transformation by which polar coordinates turn into linear coordinates) and phase correction of electromagnetic radiation transmitted through this system from the OAM.
EFFECT: invention provides spatial separation of scalar beams with different values of OAM without violating the dimension of Hilbert space (meaning N-dimensional Hilbert space, where N depends on the values of OAM), while the system implementing such separation is CMOS-compatible with modern optical integrated circuits.
6 cl, 8 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно, к интегральным оптическим элементам, в частности, к диэлектрическим метаповерхностям со сложным геометрическим профилем, которые могут быть использованы в области квантовых коммуникаций для защиты данных при передаче по каналам широкополосной связи посредством повышения размерности гильбертова пространства за счет использования скалярных пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ). Диэлектрическая метаповерхность состоит из резонансных кремниевых наноструктур - нанодисков, может быть совместима с КМОП технологией и реализуема на оптической микросхеме.The invention relates to microelectronics, namely, to integral optical elements, in particular, to dielectric metasurfaces with a complex geometric profile, which can be used in the field of quantum communications to protect data during transmission over broadband communication channels by increasing the dimension of the Hilbert space through the use of scalar beams with orbital angular momentum (OAM). The dielectric metasurface consists of resonant silicon nanostructures - nanodisks, can be compatible with CMOS technology and implemented on an optical microcircuit.

Уровень техникиState of the art

За последнее десятилетие появилось большое количество работ, направленных на повышение степени защиты каналов широкополосной связи при реализации квантовых коммуникаций, основанных на управлении и контроле квантового излучения, распространяемого в канале связи и несущего закодированную информацию. Задача по управлению основными параметрами квантового излучения (фазой, амплитудой и поляризацией) за счет использования дополнительных степеней свободы электромагнитного излучения - излучения с различным значением орбитального углового момента (ОУМ), является актуальной в настоящее время. В 1992 году Л. Аллен и его коллеги продемонстрировали, что векторные пучки Лагерра-Гаусса, аналитически описывающиеся азимутальным фазовым слагаемым, обладают ярко выраженным ОУМ [L. Allen, M. Beijersbergen, R, Spreeuw, J. Woerdman, Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian modes, Phys. Rev., 8185-8189, 1992], за счет которого может быть повышена размерность гильбертова пространства [X. Wang, Z. Nie, Y. Liang, J. Wang, Т. Li, В. Jia, Recent advances on optical vortex generation, Nanophotonics, 2018]. Особый интерес такие скалярные пучки Лагерра-Гаусса, обладающие орбитальным угловым моментом (ОУМ) и распределением фазы в каждой точке пространства, представляют для квантовой криптографии. Это связано, в первую очередь, с созданием надежных и защищенных широкополосных каналов связи для передачи и обработки информации. Кроме того, было доказано, что повышение размерности не только способствует росту плотности кодирования информации в одном канале, но и увеличивает секретность связи, делая канал более устойчивым [J. O'brien, A. Furusawa, J. Vuckovic, Photonic quantum technologies, Nature Photonics, 2009]. В связи с этим актуальным является поиск решений, направленных на повышение размерности гильбертова пространства, которое может быть реализовано посредством пространственного разделения скалярных световых пучков с различными значениями ОУМ. Решение данной задачи состоит из двух последовательных этапов: 1-ый этап заключается в преобразовании полярных координат в линейные; 2-ой этап состоит в компенсации фазы электромагнитного излучения. Это может быть реализовано на базе планарных метаповерхностей, представляющих собой двухмерные резонансные наноструктуры, обладающие специально спроектированной топологией поверхности для эффективного генерирования и управления высокоразмерными запутанными квантовыми состояниями фотонов. При этом существенным для таких метаповерхностей является размер, позволяющий размещать их в фотонных чипах и изготавливать с использованием средств и методов современной микроэлектроники (КМОП-совместимых технологий).Over the past decade, a large number of works have appeared aimed at increasing the degree of protection of broadband communication channels in the implementation of quantum communications based on the management and control of quantum radiation propagating in a communication channel and carrying encoded information. The task of controlling the main parameters of quantum radiation (phase, amplitude and polarization) through the use of additional degrees of freedom of electromagnetic radiation - radiation with different values of the orbital angular momentum (OAM) is currently relevant. In 1992, L. Allen and his colleagues demonstrated that Laguerre-Gauss vector beams, which are analytically described by the azimuthal phase term, have a pronounced OAM [L. Allen, M. Beijersbergen, R, Spreeuw, J. Woerdman, Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian modes, Phys. Rev., 8185-8189, 1992], due to which the dimension of the Hilbert space can be increased [X. Wang, Z. Nie, Y. Liang, J. Wang, T. Li, B. Jia, Recent advances on optical vortex generation, Nanophotonics, 2018]. Such scalar Laguerre-Gauss beams, which have orbital angular momentum (OAM) and phase distribution at each point in space, are of particular interest for quantum cryptography. This is due, first of all, to the creation of reliable and secure broadband communication channels for the transmission and processing of information. In addition, it has been proven that increasing the dimension not only contributes to an increase in the density of information encoding in one channel, but also increases the secrecy of communication, making the channel more stable [J. O'brien, A. Furusawa, J. Vuckovic, Photonic quantum technologies, Nature Photonics, 2009]. In this regard, it is topical to search for solutions aimed at increasing the dimension of the Hilbert space, which can be implemented through the spatial separation of scalar light beams with different OAM values. The solution of this problem consists of two successive stages: the 1st stage consists in the transformation of polar coordinates into linear ones; The 2nd stage consists in compensating the phase of electromagnetic radiation. This can be implemented on the basis of planar metasurfaces, which are two-dimensional resonant nanostructures with a specially designed surface topology for efficient generation and control of high-dimensional entangled quantum photon states. At the same time, the size that makes it possible to place them in photonic chips and fabricate using the means and methods of modern microelectronics (CMOS-compatible technologies) is essential for such metasurfaces.

Из уровня техники известны оптические поляризационные элементы, такие как интегрально-оптический поляризационный расщепитель (патент RU 92205 U1), способный разделять ТЕ и ТМ поляризованные волноводные моды в оптических системах передачи и обработки информации. Оптический элемент представляет собой металл-диэлектрическую многослойную структуру, которую наносят на поверхность оптического волновода одного из плеч интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера. Таким образом, на основе эффекта плазмонного резонанса формируется модовая анизотропия в канале волновода и происходит различие времени прохождения ТЕ-мод и ТМ-мод в оптической системе. Недостатком такого устройства является его узкая область применения - способность пространственно разделять электромагнитное излучение только по поляризационным модам. Данное устройство не обеспечивает пространственного разделения электромагнитного излучения и зависит от фазы входного сигнала. Это, в свою очередь, не позволяет использовать известное устройство в интегральных оптических микросхемах, в т.ч., для защиты каналов связи при передаче данных, в которых реализуются смешанные состояния фазы и поляризации.Optical polarization elements are known from the prior art, such as an integrated optical polarization splitter (patent RU 92205 U1) capable of separating TE and TM polarized waveguide modes in optical transmission and information processing systems. The optical element is a metal-dielectric multilayer structure, which is applied to the surface of the optical waveguide of one of the arms of the integrated optical Mach-Zehnder interferometer. Thus, on the basis of the plasmon resonance effect, mode anisotropy is formed in the waveguide channel and there is a difference in the transit time of the TE and TM modes in the optical system. The disadvantage of such a device is its narrow scope - the ability to spatially separate electromagnetic radiation only in polarization modes. This device does not provide spatial separation of electromagnetic radiation and depends on the phase of the input signal. This, in turn, does not allow the use of the known device in integrated optical circuits, including for protecting communication channels during data transmission, in which mixed phase and polarization states are realized.

Кроме того, известны оптические метаповерхности, на базе которых может быть реализован процесс пространственного разделения электромагнитного излучения [K. Wang, G. Titchener, Sergey S. Kruk, A. Sukhorukov, et al., "Quantum metasurface for multiphoton interference and state reconstruction", Science, 14, 361, 1104-1108, (2018)]. Метаповерхность представляет собой четырехдюймовую подложку из кварца толщиной 500 мкм с размещенной на ней совокупностью кремниевых нанорезонаторов, высотой 800 нм, с изменяющимися размерами (высотой и диаметром), фазой и ориентацией друг относительно друга (с различным периодом расположения). Подложка выполнена с возможностью пространственного разделения, падающего на нее излучения по состоянию поляризации, т.е. данная структура способна разделять определенные состояния эллиптической поляризации фотонов. Использование света с разной степенью поляризации позволяет формировать только двумерное гильбертово пространство. Недостатком таких оптических структур является их поляризационная зависимость, способность пространственно разделять неклассический свет, запутанный только по спинному угловому моменту.In addition, optical metasurfaces are known, on the basis of which the process of spatial separation of electromagnetic radiation can be implemented [K. Wang, G. Titchener, Sergey S. Kruk, A. Sukhorukov, et al., "Quantum metasurface for multiphoton interference and state reconstruction", Science, 14, 361, 1104-1108, (2018)]. The metasurface is a four-inch quartz substrate 500 μm thick with a set of silicon nanoresonators placed on it, 800 nm high, with varying dimensions (height and diameter), phase, and orientation relative to each other (with a different arrangement period). The substrate is made with the possibility of spatial separation of the radiation incident on it according to the state of polarization, i.e. this structure is capable of separating certain states of elliptical polarization of photons. The use of light with different degrees of polarization makes it possible to form only a two-dimensional Hilbert space. The disadvantage of such optical structures is their polarization dependence, the ability to spatially separate nonclassical light entangled only in spin angular momentum.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является оптическая система, основанная на использовании оптических элементов - пространственных преобразователей света - SLM (Selective Laser Melting) (далее в тексте СЛМ), для задания фазового профиля электромагнитного излучения определенного типа. Так, для решения задачи по пространственному разделению скалярных пучков с разными ОУМ известно использование трех оптических элементов: СЛМ №1 для формирования скалярного пучка с ОУМ; СЛМ №2 для «log-pol» преобразования координат - полярных в линейные; СЛМ №3 для коррекции фазы электромагнитного излучения [Gregorius С.G. Berkhout, Martin P. J. Lavery, Johannes Courtial, Marco W. Beijersbergen, and Miles J. Padgett, Efficient Sorting of Orbital Angular Momentum States of Light Phys. Rev. Lett. 105, 153601 (2010)]. В качестве оптических элементов могут быть использованы СЛМ таких производителей как Fourth Dimension Displays, Santec Corporation, Jenoptik, Hamamatsu Photonics, Perkin Elmer, Holoeye Photonics, American Electric Power, Meadowlark Optics, Laser 2000 (UK), Texas Instruments и др. Так например, SLM-200 - Full HD пространственный модулятор света производителя Santec характеризуется следующими параметрами: рабочий диапазон длин волн 450-1600 нм, размер дисплея 15,5×10 мм, разрешение дисплея 1920×1200 пикс., размер пикселя 8 мкм, общие габариты прибора 122×122×40 мм. Таким образом, недостатком данного оптического элемента и системы на их основе является значительные габариты, которые не позволяют интегрировать данную систему в фотонную микросхему, в то время как планарные метаповерхности за счет своих малых размеров (порядка 100-200 мкм) делают возможным процесс их интеграции и совместимости с оптическим чипом.Closest to the claimed invention is an optical system based on the use of optical elements - spatial light converters - SLM (Selective Laser Melting) (hereinafter referred to as SLM), to set the phase profile of electromagnetic radiation of a certain type. Thus, to solve the problem of spatial separation of scalar beams with different OAM, it is known to use three optical elements: SLM No. 1 to form a scalar beam with OAM; SLM No. 2 for "log-pol" coordinate transformation - polar to linear; SLM No. 3 for correcting the phase of electromagnetic radiation [Gregorius C.G. Berkhout, Martin P. J. Lavery, Johannes Courtial, Marco W. Beijersbergen, and Miles J. Padgett, Efficient Sorting of Orbital Angular Momentum States of Light Phys. Rev. Lett. 105, 153601 (2010)]. SLMs from manufacturers such as Fourth Dimension Displays, Santec Corporation, Jenoptik, Hamamatsu Photonics, Perkin Elmer, Holoeye Photonics, American Electric Power, Meadowlark Optics, Laser 2000 (UK), Texas Instruments, etc. can be used as optical elements. For example, SLM-200 - Full HD spatial light modulator manufactured by Santec is characterized by the following parameters: operating wavelength range 450-1600 nm, display size 15.5 × 10 mm, display resolution 1920 × 1200 pixels, pixel size 8 μm, overall dimensions of the device 122 ×122×40 mm. Thus, the disadvantage of this optical element and the system based on them is significant dimensions, which do not allow integrating this system into a photonic microcircuit, while planar metasurfaces, due to their small dimensions (of the order of 100–200 μm), make it possible to integrate them and compatible with optical chip.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является устранение перечисленных выше недостатков, характерных для аналогов и прототипа.The technical problem solved by the present invention is the elimination of the above disadvantages, typical for analogs and prototype.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническим результатом является разработка КМОП-совместимой системы для реализации в интегрально-оптической микросхеме с возможностью пространственного разделения скалярных пучков с орбитальными угловыми моментами (ОУМ), способной взаимодействовать с излучением N-мерного гильбертово пространства на входе в систему с сохранением его размерности на выходе из системы.The technical result is the development of a CMOS-compatible system for implementation in an integrated optical microcircuit with the possibility of spatial separation of scalar beams with orbital angular momentum (OAM), capable of interacting with the radiation of an N-dimensional Hilbert space at the entrance to the system while maintaining its dimension at the exit from the system .

Технический результат достигается интегрально-оптической системой для пространственного разделения скалярных пучков с ОУМ, включающей три оптических элемента, где первый оптический элемент выполнен с виде пространственного модулятора света с возможностью формирования скалярных пучков с различными ОУМ, второй оптический элемент выполнен с возможностью преобразования полярных координат излучения в линейные координаты, а третий оптический элемент выполнен с возможностью коррекции фазы излучения, прошедшего через второй оптический элемент, второй и третий оптические элементы расположены в Фурье-плоскости двух линз, согласно изобретению, второй и третий оптические элементы выполнены в виде диэлектрических метаповерхностей, образованных расположенными на диэлектрических подложках кремниевыми нанорезонаторами - нанодисками, обладающими магнито-дипольным резонансом (Ми-резонансом) в ИК-диапазоне, при этом период расположения нанодисков определяется соотношениями (1) и (2)The technical result is achieved by an integrated optical system for spatial separation of scalar beams with OAM, including three optical elements, where the first optical element is made in the form of a spatial light modulator with the possibility of forming scalar beams with different OAM, the second optical element is configured to convert the polar coordinates of the radiation into linear coordinates, and the third optical element is made with the possibility of correcting the phase of the radiation that has passed through the second optical element, the second and third optical elements are located in the Fourier plane of two lenses, according to the invention, the second and third optical elements are made in the form of dielectric metasurfaces formed by located on dielectric substrates silicon nanoresonators - nanodisks with magnetic dipole resonance (Mi-resonance) in the IR range, while the period of the nanodisks is determined by relations (1) and (2)

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где u и υ - полярные координаты, x и у - линейные координаты,where u and υ are polar coordinates, x and y are linear coordinates,

Figure 00000003
и υ = a arctan(y/х), λ - длина волны падающего излучения (скалярного пучка), ƒ - фокусное расстояние линз, а - коэффициент преобразования координат (а=d/2π), d - ширина преобразованного пучка, а параметр b переводит преобразованное изображение в направлении u и может быть выбран независимо от а.
Figure 00000003
and υ = a arctan(y/x), λ is the wavelength of the incident radiation (scalar beam), ƒ is the focal length of the lenses, a is the coordinate transformation coefficient (a=d/2π), d is the width of the transformed beam, and the parameter b translates the transformed image in the u direction and can be chosen independently of a.

В одном из вариантов реализации изобретения нанодиски выполнены одинаковой высоты и диаметра, и отличающимися значением периода расположения. Нанорезонаторы представляют собой кремниевые нанодиски субволновых размеров. Подложка выполнена из диоксида кремния или стекла. Количество различных периодов для нанорезонаторов, описывающих фазовый профиль поверхности, составляет 4, 8 или 16.In one of the embodiments of the invention, the nanodisks are made of the same height and diameter, and differing in the value of the location period. Nanoresonators are subwavelength silicon nanodisks. The substrate is made of silicon dioxide or glass. The number of different periods for nanocavities that describe the phase profile of the surface is 4, 8, or 16.

Преимуществом такой интегрально-оптической системы является то, что второй и третий оптические элементы системы выполнены в виде диэлектрических метаповерхностей, образованных расположенными на диэлектрических подложках кремниевыми нанорезонаторами - нанодисками, обладающими магнито-дипольным резонансом в ИК-диапазоне, при этом период расположения нанодисков определяется соотношениями (1) и (2), которые математически описывают пространственное разделение скалярных пучков с ОУМ. Данные геометрические преобразования фазы ставят в соответствие каждой точке пространства (области на метаповерхности) значение фазы излучения, позволяющее совершить камфорное преобразование координат, т.е. перевести полярные координаты в линейные с последующей корректировкой фазы излучения. Кроме того, данные оптические метаповерхности КМОП-совместимы с современными интегрально оптическими микросхемами. Все это позволяет проводить эффективное разделение скалярных пучков с орбитальными угловыми моментами (ОУМ) в пространстве. Так же, стоит отметить, что такое взаимодействие падающего квантового излучения с ОУМ с данными оптическими элементами не изменяет (в частности - не понижает) размерность N-мерного гильбертово пространства на выходе из такой системы.The advantage of such an integrated optical system is that the second and third optical elements of the system are made in the form of dielectric metasurfaces formed by silicon nanoresonators located on dielectric substrates - nanodisks having a magnetic dipole resonance in the IR range, while the period of the nanodisks is determined by the relations ( 1) and (2), which mathematically describe the spatial separation of scalar beams with OAM. These geometric phase transformations are associated with each point in space (region on the metasurface) with the value of the radiation phase, which makes it possible to perform a camphor transformation of coordinates, i.e. convert polar coordinates to linear ones with subsequent correction of the radiation phase. In addition, these optical metasurfaces are CMOS compatible with modern integrated optical circuits. All this allows efficient separation of scalar beams with orbital angular momentum (OAM) in space. Also, it is worth noting that such an interaction of the incident quantum radiation with OAM with these optical elements does not change (in particular, does not reduce) the dimension of the N-dimensional Hilbert space at the output of such a system.

Таким образом, заявляемое изобретение по сравнению с прототипом направлено на реализацию возможности пространственного разделения скалярного пучка света с орбитальным угловым моментом с обеспечением сохранения TV-мерного гильбертово пространства (которое зависит от значения орбитального углового момента). Разработанная система основана на управлении фазой и является поляризационно-независимой.Thus, the claimed invention, in comparison with the prototype, is aimed at realizing the possibility of spatial separation of a scalar light beam with an orbital angular momentum while maintaining the TV-dimensional Hilbert space (which depends on the value of the orbital angular momentum). The developed system is based on phase control and is polarization independent.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен один из вариантов реализации резонансной метаповерхности (M1 и М2 имеют идентичную структуру, отличаясь геометрией поверхности - взаимного расположения диэлектрических резонаторов относительно друг друга, что задается с помощью геометрических преобразований), состоящей из кремниевых нанодисков (2), через которую проходит электромагнитное излучение с ОУМ. Каждое устройство метаповерхности выполнено на подложке (1) из оксида кремния; на фиг. 2 - представлена схема метаповерхности M1 и таблица геометрических параметров для создания фазовой маски для M1: геометрия разбиения на пиксели, где каждому числу поставлен в соответствие период решетки Pi; на фиг. 3 - схема метаповерхности М2 и таблица геометрических параметров для создания фазовой маски для М2: геометрия разбиения на пиксели, где каждому числу поставлен в соответствие период решетки Pi; на фиг. 4 - схема заявляемой системы, демонстрирующая распространение электромагнитного излучения с ОУМ через систему метаповерхностей M1 и М2, расположенных в фокальной плоскости системы линз Л1 и Л2; на фиг. 5 представлены: (а) Зависимость коэффициента и (б) зависимость фазового профиля от длины волны и периода между кремниевыми нанодисками; (в) график зависимости коэффициента пропускания и (г) фазового профиля от периода для кремниевых нанодисков для длины волны 810 нм; на фиг. 6 - фазовые поверхности, отображающие изменение фазового профиля согласно геометрическим преобразованиям (1) и (2) соответственно; на фиг. 7 представлены фазовые маски разбиений на квадранты M1 и М2 соответственно, где цифрами обозначены усредненные значения фазы в каждом квадранте согласно таблицам на фиг. 2 и фиг. 3; на фиг. 8 представлены фазовые профили прошедшего через резонансную систему излучения, демонстрирующие разделение различных значений ОУМ в пространстве.The invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 schematically shows one of the options for the implementation of a resonant metasurface (M1 and M2 have an identical structure, differing in the geometry of the surface - the relative position of the dielectric resonators relative to each other, which is specified using geometric transformations), consisting of silicon nanodisks (2), through which electromagnetic radiation passes with OUM. Each metasurface device is made on a substrate (1) of silicon oxide; in fig. 2 - a diagram of the metasurface M1 and a table of geometric parameters for creating a phase mask for M1 are presented: the geometry of pixelation, where each number is assigned a lattice period Pi; in fig. 3 is a diagram of the M2 metasurface and a table of geometric parameters for creating a phase mask for M2: the geometry of pixelation, where each number is assigned a lattice period Pi; in fig. 4 is a diagram of the proposed system, demonstrating the propagation of electromagnetic radiation with OAM through a system of metasurfaces M1 and M2 located in the focal plane of the lens system L1 and L2; in fig. 5 shows: (a) The dependence of the coefficient and (b) the dependence of the phase profile on the wavelength and period between silicon nanodisks; (c) plot of transmittance and (d) phase profile versus period for silicon nanodiscs for a wavelength of 810 nm; in fig. 6 - phase surfaces showing the change in the phase profile according to the geometric transformations (1) and (2), respectively; in fig. 7 shows the phase masks of partitions into quadrants M1 and M2, respectively, where the numbers indicate the average phase values in each quadrant according to the tables in FIG. 2 and FIG. 3; in fig. Figure 8 shows the phase profiles of radiation transmitted through the resonant system, demonstrating the separation of different OAM values in space.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Заявляемая интегрально-оптическая система для демультиплексирования скалярных пучков с ОУМ (фиг. 4) предназначена для пространственного разделения скалярных пучков (типа Лаггера-Гаусса) с ОУМ и является поляризационно независимой.The inventive integrated optical system for demultiplexing scalar beams with OAM (Fig. 4) is designed for spatial separation of scalar beams (Lugger-Gauss type) with OAM and is polarization independent.

Система содержит три оптических элемента, первый из которых выполнен в виде пространственного модулятора света (СЛМ) с возможностью формирования скалярных пучков с различными ОУМ. Второй и третий оптические элементы выполнены в виде матаповерхностей M1 и М2, расположены в Фурье-плоскости двух линз, при этом M1 выполнена с возможностью преобразования полярных координат излучения в линейные координаты, а М2 выполнена с возможностью коррекции фазы излучения, прошедшего через второй оптический элемент. Варианты реализации метаповерхностей M1 и М2 представлены на фиг. 1-3. На фиг. 4 представлена схема реализации заявляемой системы, где линза Л1 расположена между метаповерхностями M1 и М2, а линза Л2 - за метаповерхностью М2. В качестве линз могут быть использованы две линзы Thorlabs LA1039-B N-BK7 Piano-Convex Lens, d=3 мм, f=9 мм, в качестве первого оптического элемента - СЛМ HOLOEYE PLUTO-2.1-NIR-015, рабочий диапазон которого составляет 650-1100 нм с низким уровнем флуктуации фазы.The system contains three optical elements, the first of which is made in the form of a spatial light modulator (SLM) with the possibility of forming scalar beams with different OAMs. The second and third optical elements are made in the form of mat surfaces M1 and M2, located in the Fourier plane of two lenses, while M1 is configured to convert the polar coordinates of the radiation into linear coordinates, and M2 is configured to correct the phase of the radiation passed through the second optical element. Variants of realization of metasurfaces M1 and M2 are shown in Fig. 1-3. In FIG. 4 shows a diagram of the implementation of the proposed system, where the lens L1 is located between the metasurfaces M1 and M2, and the lens L2 is located behind the metasurface M2. Two lenses Thorlabs LA1039-B N-BK7 Piano-Convex Lens, d=3 mm, f=9 mm can be used as lenses, as the first optical element - SLM HOLOEYE PLUTO-2.1-NIR-015, the operating range of which is 650-1100 nm with low phase jitter.

Диэлектрические метаповерхности образованы кремниевыми нанорезонаторами - нанодисками субволновых размеров, расположенными на подложке из диоксида кремния или стекла, и обладающими магнито-дипольным резонансом в ИК-диапазоне. При этом период расположения нанодисков (или геометрическое распределение фаз - фазовые маски) определяется соотношениями (1) и (2), где формулой (1) определяется период расположения нанодисков на метаповерхности M1, формулой (2) - на метаповерхности М2.Dielectric metasurfaces are formed by silicon nanoresonators - subwavelength nanodisks located on a silicon dioxide or glass substrate and having a magnetic dipole resonance in the IR range. In this case, the period of nanodisk arrangement (or the geometric distribution of phases - phase masks) is determined by relations (1) and (2), where formula (1) determines the period of nanodisk arrangement on the M1 metasurface, formula (2) - on the M2 metasurface.

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где u и υ - полярные координаты, x и у - линейные координаты,where u and υ are polar coordinates, x and y are linear coordinates,

Figure 00000006
и υ = a arctan(y/х), λ - длина волны падающего излучения (скалярного пучка), ƒ - фокусное расстояние линз, а - коэффициент преобразования координат (а=d/2π), d - ширина преобразованного пучка, а параметр b переводит преобразованное изображение в направлении u и может быть выбран независимо от а.
Figure 00000006
and υ = a arctan(y/x), λ is the wavelength of the incident radiation (scalar beam), ƒ is the focal length of the lenses, a is the coordinate transformation coefficient (a=d/2π), d is the width of the transformed beam, and the parameter b translates the transformed image in the u direction and can be chosen independently of a.

Предпочтительно количество периодов для нанорезонаторов, отличающихся размерностью, и описывающих фазовый профиль поверхности, составляет 4, 8 или 16. Выбор конкретного значения периодов обуславливается необходимой точностью пространственного разделения выходного излучения.Preferably, the number of periods for nanocavities that differ in dimension and describe the phase profile of the surface is 4, 8, or 16. The choice of a specific value of the periods is determined by the required accuracy of the spatial separation of the output radiation.

Профиль второго и третьего оптического элемента системы (метаповерхностей) имеет определенный дизайн поверхности, а именно, состоит из пикселей, размером, например, 20×20 мкм; причем каждый пиксель состоит из массива кремниевых Ми-резонансных нанорезонаторов, например, одинаковой высоты и диаметра, но отличающихся значением периода в пределах конкретного пикселя. Причем, стоит отметить, что данные параметры подбираются таким образом, чтобы коэффициент пропускания нанорезонаторов с такой геометрией был максимальным (близким к 1) и постоянным (с небольшими флуктуациями от среднего значения коэффициента пропускания).The profile of the second and third optical element of the system (metasurfaces) has a certain surface design, namely, it consists of pixels, for example, 20×20 µm; wherein each pixel consists of an array of silicon Mie-resonant nanoresonators, for example, of the same height and diameter, but differing in the value of the period within a particular pixel. Moreover, it is worth noting that these parameters are selected in such a way that the transmittance of nanocavities with such a geometry is maximum (close to 1) and constant (with small fluctuations from the average value of the transmittance).

В одном из вариантов реализации изобретения (фиг. 2 и 3) дизайн поверхностного профиля M1 состоит из 4-х областей - диагонально ориентированных полос, характеризующихся четырьмя значениями периодов внутри каждого пикселя. 1-ая область, геометрически ориентированная в верхнем левом углу, представляет собой треугольник с катетами размером 20 пикселей и 16; 2-ая область представляет собой диагонально ориентированную полосу шириной в 4 пикселя; 3-ая область - полоса шириной в 11 пикселей; 4-ая область имеет вид треугольника, расположенного в нижнем правом углу, с катетами из 10 пикселей и 7 пикселей. Дизайн поверхностного профиля М2 состоит также из 4-х областей: 1-ая и 2-ая области - одинаковые прямоугольники, разделяющие поверхностный профиль пополам; 3-ая и 4-ая области представляют собой полуокружности, расположенные в центре структуры.In one of the embodiments of the invention (Fig. 2 and 3) the design of the surface profile M1 consists of 4 areas - diagonally oriented bands, characterized by four period values within each pixel. The 1st area, geometrically oriented in the upper left corner, is a triangle with legs of 20 pixels and 16; the 2nd region is a diagonally oriented strip 4 pixels wide; 3rd area - a stripe 11 pixels wide; The 4th area looks like a triangle located in the lower right corner, with legs of 10 pixels and 7 pixels. The design of the M2 surface profile also consists of 4 areas: the 1st and 2nd areas are identical rectangles dividing the surface profile in half; The 3rd and 4th regions are semicircles located in the center of the structure.

Заявляемая система работает следующим образом.The proposed system works as follows.

Электромагнитное излучение - скалярный пучок с ОУМ, например, моды Лаггера-Гауса, падает на метаповерхность №1 (M1). За счет сложного фазового профиля M1 происходит конформное отображение полярных координат в линейные, при этом происходит изменение фазового профиля исходного пучка. Далее для корректировки пучка и пространственного разделения различных значений орбитальных угловых моментов пучок, излучение направляют на метоповерхность №2 (М2), находящуюся в Фурье плоскости системы линз (Л1) и (Л2), фокусное расстояние которых, например, составляет 9 мм (данное значение определяется согласно преобразованиям фазы (1) и (2), где фокусное расстояние системы линз фигурирует в первом множителе формул). Затем прошедшее через оптическую систему излучение попадает на экран (Э), в роли которого может выступать камера или высокочувствительные детекторы.Electromagnetic radiation - a scalar beam with OAM, for example, Lugger-Gaus modes, falls on metasurface No. 1 (M1). Due to the complex phase profile M1, a conformal mapping of polar coordinates into linear ones takes place, and the phase profile of the initial beam changes. Further, to correct the beam and spatially separate the various values of the orbital angular momenta, the beam is directed to the metosurface No. 2 (M2), located in the Fourier plane of the lens system (L1) and (L2), the focal length of which, for example, is 9 mm (this value is determined according to the phase transformations (1) and (2), where the focal length of the lens system appears in the first factor of the formulas). Then the radiation passed through the optical system hits the screen (E), which can be a camera or highly sensitive detectors.

Поверхностный профиль кремниевых метаповерхностей, используемых в заявляемой системе, был получен по итогам модельных экспериментов, которые включали проведение геометрических преобразований (1) и (2), корректирующих фазу прошедшего излучения. Преобразование (1) совершает log-pol преобразование координат, переводя полярные координаты (u, υ) в линейные (х, у), т.е. (u, υ)→(х, у); преобразование (2) корректирует фазу излучения, изменяющуюся в процессе преобразования (1).The surface profile of the silicon metasurfaces used in the proposed system was obtained from the results of model experiments, which included geometric transformations (1) and (2) that correct the phase of the transmitted radiation. Transformation (1) performs a log-pol coordinate transformation, translating polar coordinates (u, υ) into linear ones (x, y), i.e. (u, u)→(x, y); transformation (2) corrects the radiation phase, which changes during transformation (1).

В частности, при разработке дизайна метаповерхностей M1 и М2 был использован следующий алгоритм.In particular, the following algorithm was used when developing the design of metasurfaces M1 and M2.

Были проведены модельные эксперименты по определению зависимостей коэффициента пропускания фиг.7(a) и фазового профиля фиг. 5(б) для кремниевых нанодисков высотой 131 нм, диаметром 220 нм с широким диапазоном периодов и длин волн падающего электромагнитного излучения. Затем на выбранной длине волны - 810 нм (выбор данной длины волны обоснован геометрией эксперимента и возможностью его реализации) были выбраны четыре значения периода таким образом, чтобы они соответствовали максимальному значению коэффициента пропускания фиг. 7(в) и покрывали изменение фазового профиля в диапазоне от 0 до 2π - фиг. 7(г).Model experiments were carried out to determine the dependences of the transmittance of FIG. 7(a) and the phase profile of FIG. 5(b) for silicon nanodisks with a height of 131 nm and a diameter of 220 nm with a wide range of periods and wavelengths of incident electromagnetic radiation. Then, at the chosen wavelength - 810 nm (the choice of this wavelength is justified by the geometry of the experiment and the possibility of its implementation), four period values were chosen so that they corresponded to the maximum value of the transmittance of Fig. 7(c) and covered the change in the phase profile in the range from 0 to 2π - fig. 7(d).

В программном пакете Wolfram Mathematica был произведен численный расчет для поверхностного профиля диэлектрических метаповерхностей на основе геометрических фазовых преобразований (1) и (2). На фиг. 6 (а, б) представлены результаты численного расчета фазовых поверхностей, соответствующие преобразованиям для M1 и М2, соответственно.In the Wolfram Mathematica software package, a numerical calculation was made for the surface profile of dielectric metasurfaces based on geometric phase transformations (1) and (2). In FIG. Figure 6 (a, b) presents the results of the numerical calculation of the phase surfaces corresponding to the transformations for M1 and M2, respectively.

На следующем шаге было проведено разбиение полученных фазовых профилей для M1 и М2 на области - квадранты одинакового размера 20×20 мкм (размер квадранта обусловливается возможностью изготовления оптических элементов) с последующим усреднением значения фазы внутри каждого квадранта. В связи с тем, что в качестве начальных условий для формирования метаповерхностей были выбраны нанорезонаторы, обладающие одинаковой высотой, диаметром, и четырьмя разными периодами между ними, то дискретизация фазового профиля (от 0 до 2π) проводилась с шагом в π/2, т.е. полученные пиксели соответствуют значениям фаз: π/4, 3π/4, 5π/4 и 7π/4. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 7 представлен дизайн метаповерхностей, соответствующий полученным фазовым профилям для M1 и М2 после описанного выше разбиения на пиксели, где на фиг. 7 цифрами соответственно обозначены пиксели, характеризующиеся усредненным значением фазы, согласно приведенным выше.At the next step, the obtained phase profiles for M1 and M2 were divided into areas - quadrants of the same size 20 × 20 μm (the size of the quadrant is determined by the possibility of manufacturing optical elements) with subsequent averaging of the phase value within each quadrant. Due to the fact that nanocavities with the same height, diameter, and four different periods between them were chosen as the initial conditions for the formation of metasurfaces, the phase profile discretization (from 0 to 2π) was carried out with a step of π/2, i.e., e. the resulting pixels correspond to the phase values: π/4, 3π/4, 5π/4 and 7π/4. In FIG. 2, fig. 3 and FIG. 7 shows the design of the metasurfaces corresponding to the obtained phase profiles for M1 and M2 after the pixelization described above, where in FIG. 7, the numerals respectively designate the pixels characterized by the average value of the phase, according to the above.

Одним из главных условий для пространственного разделения скалярных пучков с разными значениями ОУМ, является изменение фазового профиля оптических прототипов в диапазоне от 0 до 2π. Для этого каждая из диэлектрических структур разбивается на равные квадранты, (например, размером 20 на 20 микрометров), внутри каждого такого квадранта производится усреднение по значению фазы. Затем, каждому квадранту, согласно полученному фазовому профилю на рис. 5(г), ставится в соответствие определенное значение периода для кремниевых нанодисков, которое наилучшим образом описывает усредненное значение фазы в данном квадранте.One of the main conditions for the spatial separation of scalar beams with different OAM values is the change in the phase profile of optical prototypes in the range from 0 to 2π. To do this, each of the dielectric structures is divided into equal quadrants (for example, 20 by 20 micrometers in size), and averaging is performed over the phase value within each such quadrant. Then, for each quadrant, according to the obtained phase profile in Fig. 5(d), a certain value of the period for silicon nanodisks is put in correspondence, which best describes the average value of the phase in this quadrant.

В одном из примеров реализации изобретения на длине волны 810 нм были подобраны оптимальные геометрические параметры метаповерхностей M1 и М2 - высота, диаметр и период расположения кремниевых нанодисков; получены спектры пропускания для кремниевых нанодисков высотой 131 нм, диаметром 220 нм для различных значений периодов между нанодисками. На длине волны 810 нм наблюдаются полосы с максимальным коэффициентом пропускания. Исходя из полученных результатов, были выбраны четыре значения периода решетки кремниевых нанодисков, что позволило обеспечить серии фазовых сдвигов, отличающихся друг от друга на π/2 для квадранта из нанодисков.In one of the examples of the implementation of the invention at a wavelength of 810 nm, the optimal geometric parameters of the metasurfaces M1 and M2 were selected - the height, diameter and period of the silicon nanodisks; Transmission spectra were obtained for silicon nanodisks with a height of 131 nm and a diameter of 220 nm for various periods between nanodisks. At a wavelength of 810 nm, bands with the maximum transmittance are observed. Based on the results obtained, four values of the lattice period of silicon nanodisks were chosen, which made it possible to provide a series of phase shifts differing from each other by π/2 for the nanodisc quadrant.

ПримерExample

Описываемая система резонансных метаповерхностей и принцип ее работы поясняется конкретным примером, который является одной из возможных реализаций рассматриваемого изобретения. Одновременно с этим, данный пример хорошо иллюстрирует возможность достижения заявленного технического результата.The described system of resonant metasurfaces and the principle of its operation is illustrated by a specific example, which is one of the possible implementations of the invention under consideration. At the same time, this example illustrates well the possibility of achieving the claimed technical result.

Каждая из двух резонансных метаповерхностей представляет собой диэлектрическую структуру размером 200×200 микрометров, поверхность которой условно разделена на квадранты размером 20×20 микрометров. Метаповерхности изготовлены на основе структуры кремний-изолятор, где слой - изолятор играет роль подложки и состоит из диоксида кремния с показателем преломления 1.445 и толщиной 5 мкм. Верхний слой, из которого выполняли массивы резонансных нанодисков, представляет собой слой кремния высотой 131 нм и показателем преломления 3.5. Фазовая маска резонансных нанорезонаторов изготовлена посредством наноструктурирования верхнего слоя кремния методом электронно-лучевой литографии с последующим плазменным травлением.Each of the two resonant metasurfaces is a dielectric structure 200×200 micrometers in size, the surface of which is conditionally divided into quadrants 20×20 micrometers in size. The metasurfaces are made on the basis of a silicon-insulator structure, where the insulator layer plays the role of a substrate and consists of silicon dioxide with a refractive index of 1.445 and a thickness of 5 µm. The upper layer, from which arrays of resonant nanodisks were made, is a silicon layer 131 nm high and with a refractive index of 3.5. The phase mask of resonant nanoresonators is made by nanostructuring the upper layer of silicon by electron-beam lithography followed by plasma etching.

Резонансная система (PC) включала две кремниевые метаповерхности M1 и М2 (размером 200×200 мкм), расположенные в Фурье плоскости системы из линз, фокусное расстояние которых составляет 9 мм. Каждая из метаповерхностей разбита на 400 пикселей (квадрантов) размером 20×20 мкм. Каждый пиксель заполнен кремниевыми нанодисками диаметром 220 нм, высотой 131 нм и характеризуется определенным значением периода, согласованным с фазовой маской конкретной метаповерхности (см. фиг. 2 и 3). Значения периодов для M1 и М2 составляют (436, 595, 350, 387) нм и (501, 515, 538, 453) нм соответственно. На PC падает электромагнитное излучение на длине волны 810 нм. Принцип работы PC поясняется конкретным примером, представленным на фиг. 4. Излучение перестраиваемого (в диапазоне длин волн от 680 нм до 1080 нм) фемтосекундного лазера Coherent Chameleon Vision II на длине волны 810 нм, проходя через пространственный преобразователь света - SLM-HOLOEYE PLUTO-2.1-NIR-015, в качестве первого оптического элемента - СЛМ, который задавал скалярный пучок с ОУМ, попадало на PC метаповерхности M1 и М2 и линз Л1 и Л2 Thorlabs LA1039-B N-BK7 Piano-Convex Lens (d=3 мм, f=9 мм), после чего прошедшее излучение пространственно разделялось и попадало на соответствующие детекторы COUNT-100N-FC Laser Components. В результате взаимодействия падающего электромагнитного излучения с ОУМ с такой оптической системой, имеющей определенные фазовые профили и состоящей из систем нанодисков, обладающих магнито-дипольными резонансами Ми, происходило пространственное разделение излучения по различным значениям ОУМ. Фазовые профили, демонстрирующие пространственное разделение скалярных пучков с ОУМ резонансной оптической системой, были получены для значений ОУМ равных ±1; ±3 и представлены на фиг. 8. Наблюдается смещение максимумов интенсивностей излучения с ОУМ по координате Y для всех пучков с ОУМ. Причем для скалярных пучков с ОУМ с разными знаками, смещение происходит в разные стороны от начала координат (центральной оптической оси, проходящей через центры метаповерхностей). Так, для отрицательных значений ОУМ (l=-3 и l=-1) это смещение происходит выше нуля по оси OY, а для положительных значений ОУМ (l=3 и l=1) - ниже нуля по оси OY. Так же, видно, что с увеличением значения ОУМ по модулю, величина смещения относительно нуля по оси OY так же увеличивается.The resonant system (PC) included two silicon metasurfaces M1 and M2 (200 × 200 μm in size) located in the Fourier plane of a system of lenses with a focal length of 9 mm. Each of the metasurfaces is divided into 400 pixels (quadrants) 20×20 µm in size. Each pixel is filled with silicon nanodisks 220 nm in diameter, 131 nm high, and is characterized by a certain period value consistent with the phase mask of a specific metasurface (see Figs. 2 and 3). The period values for M1 and M2 are (436, 595, 350, 387) nm and (501, 515, 538, 453) nm, respectively. Electromagnetic radiation at a wavelength of 810 nm falls on the PC. The principle of operation of the PC is illustrated by a specific example shown in FIG. 4. Radiation of a tunable (in the wavelength range from 680 nm to 1080 nm) femtosecond Coherent Chameleon Vision II laser at a wavelength of 810 nm, passing through a spatial light converter - SLM-HOLOEYE PLUTO-2.1-NIR-015, as the first optical element - SLM, which set a scalar beam with OAM, hit the PC of the M1 and M2 metasurfaces and L1 and L2 lenses Thorlabs LA1039-B N-BK7 Piano-Convex Lens (d=3 mm, f=9 mm), after which the transmitted radiation spatially separated and fell on the appropriate COUNT-100N-FC Laser Components detectors. As a result of the interaction of the incident electromagnetic radiation with OAM with such an optical system, which has certain phase profiles and consists of systems of nanodisks with magnetic dipole Mie resonances, the radiation was spatially separated according to different OAM values. Phase profiles demonstrating the spatial separation of scalar beams with an OAM resonant optical system were obtained for OAM values of ±1; ±3 and are shown in Fig. 8. A shift of the maxima of the radiation intensities with OAM along the Y coordinate is observed for all beams with OAM. Moreover, for scalar beams with OAM with different signs, the displacement occurs in different directions from the origin of coordinates (the central optical axis passing through the centers of the metasurfaces). So, for negative OAM values (l=-3 and l=-1), this shift occurs above zero along the OY axis, and for positive OAM values (l=3 and l=1) - below zero along the OY axis. It can also be seen that with an increase in the OAM value in absolute value, the offset relative to zero along the OY axis also increases.

PC имеет компактные размеры благодаря использованию наночастиц с субволновыми размерами и совместимыми с КМОП-технологиями, что позволяет реализовать такую оптическую систему на интегральной микросхеме.PC has a compact size due to the use of sub-wavelength nanoparticles and CMOS-compatible technologies, which allows such an optical system to be implemented on an integrated circuit.

Claims (10)

1. Интегрально-оптическая система для пространственного разделения скалярных пучков с ОУМ, включающая три оптических элемента, где первый оптический элемент выполнен с виде пространственного модулятора света с возможностью формирования скалярных пучков с различными ОУМ, второй оптический элемент выполнен с возможностью преобразования полярных координат излучения в линейные координаты, а третий оптический элемент выполнен с возможностью коррекции фазы излучения, прошедшего через второй оптический элемент, при этом второй и третий оптические элементы расположены в Фурье-плоскости двух линз, отличающаяся тем, что второй и третий оптические элементы выполнены в виде диэлектрических метаповерхностей, образованных расположенными на диэлектрических подложках кремниевыми нанорезонаторами - нанодисками, обладающими магнитодипольным резонансом (Ми-резонансом) в ИК-диапазоне, при этом период расположения нанодисков определяется соотношениями (1) и (2):1. Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with OAM, including three optical elements, where the first optical element is made in the form of a spatial light modulator with the possibility of forming scalar beams with different OAM, the second optical element is configured to convert polar radiation coordinates into linear ones. coordinates, and the third optical element is configured to correct the phase of the radiation passed through the second optical element, while the second and third optical elements are located in the Fourier plane of the two lenses, characterized in that the second and third optical elements are made in the form of dielectric metasurfaces formed silicon nanoresonators located on dielectric substrates - nanodisks with magnetic dipole resonance (Mi-resonance) in the IR range, while the period of the nanodisks is determined by relations (1) and (2):
Figure 00000007
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000008
где u и υ - полярные координаты, x и у - линейные координаты,where u and υ are polar coordinates, x and y are linear coordinates,
Figure 00000009
и υ = a arctan(y/x), λ - длина волны падающего излучения (скалярного пучка), ƒ - фокусное расстояние линз, а - коэффициент преобразования координат (а=d/2π), d - ширина преобразованного пучка, а параметр b переводит преобразованное изображение в направлении u и может быть выбран независимо от а.
Figure 00000009
and υ = a arctan(y/x), λ is the wavelength of the incident radiation (scalar beam), ƒ is the focal length of the lenses, a is the coordinate transformation coefficient (a=d/2π), d is the width of the transformed beam, and the parameter b translates the transformed image in the u direction and can be chosen independently of a.
2. Интегрально-оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что нанодиски выполнены одинаковой высоты и диаметра и отличающимися значением периода расположения.2. The integrated optical system according to claim 1, characterized in that the nanodisks are made of the same height and diameter and differ in the value of the location period. 3. Интегрально-оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что нанорезонаторы представляют собой кремниевые нанодиски субволновых размеров.3. An integrated optical system according to claim 1, characterized in that the nanocavities are subwavelength silicon nanodisks. 4. Интегрально-оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из диоксида кремния или стекла.4. Integrated optical system according to claim 1, characterized in that the substrate is made of silicon dioxide or glass. 5. Интегрально-оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что количество различных периодов для нанорезонаторов, описывающих фазовый профиль поверхности, составляет 4, 8 или 16.5. The integrated optical system according to claim 1, characterized in that the number of different periods for nanocavities describing the phase profile of the surface is 4, 8 or 16. 6. Интегрально-оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что она является поляризационно-независимой.6. Integrated optical system according to claim 1, characterized in that it is polarization-independent.
RU2021121525A 2021-07-20 Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with orbital angular moments (oam) RU2777799C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2777799C1 true RU2777799C1 (en) 2022-08-10

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110161681A (en) * 2019-05-23 2019-08-23 华中科技大学 A kind of optical rail angular momentum separation system and method
WO2019207438A1 (en) * 2018-04-26 2019-10-31 SM Optics S.r.l. Optical device for demultiplexing and multiplexing modes with different orbital angular momentum
US20190383982A1 (en) * 2018-06-19 2019-12-19 Baylor University Metasurface on optical fiber and related method
RU2716887C1 (en) * 2019-08-13 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation
US20200201136A1 (en) * 2018-12-21 2020-06-25 Clemson University Research Foundation Tunable Orbital Angular Momentum System
US20210133614A1 (en) * 2019-10-31 2021-05-06 Nxgen Partners Ip, Llc Multi-photon, multi-dimensional hyper-entanglement using higher-order radix qudits with applications to quantum computing, qkd and quantum teleportation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019207438A1 (en) * 2018-04-26 2019-10-31 SM Optics S.r.l. Optical device for demultiplexing and multiplexing modes with different orbital angular momentum
US20190383982A1 (en) * 2018-06-19 2019-12-19 Baylor University Metasurface on optical fiber and related method
US20200201136A1 (en) * 2018-12-21 2020-06-25 Clemson University Research Foundation Tunable Orbital Angular Momentum System
CN110161681A (en) * 2019-05-23 2019-08-23 华中科技大学 A kind of optical rail angular momentum separation system and method
RU2716887C1 (en) * 2019-08-13 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation
US20210133614A1 (en) * 2019-10-31 2021-05-06 Nxgen Partners Ip, Llc Multi-photon, multi-dimensional hyper-entanglement using higher-order radix qudits with applications to quantum computing, qkd and quantum teleportation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Gregorius С.G. Berkhout, Martin P. J. Lavery, Johannes Courtial, Marco W. Beijersbergen, and Miles J. Padgett, Efficient Sorting of Orbital Angular Momentum States of Light Phys. Rev. Lett. 105, 153601 (2010) https://scholarlypublications.universiteitleiden.nl/access/item%3A2871856/view. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220299760A1 (en) Device components formed of geometric structures
US11275252B2 (en) Device for forming at least one tilted focused beam in the near zone, from incident electromagnetic waves
Zhou et al. Efficient silicon metasurfaces for visible light
Malek et al. Multifunctional resonant wavefront-shaping meta-optics based on multilayer and multi-perturbation nonlocal metasurfaces
Li et al. Large-area metasurface on CMOS-compatible fabrication platform: driving flat optics from lab to fab
Malek et al. Active nonlocal metasurfaces
So et al. Revisiting the design strategies for metasurfaces: fundamental physics, optimization, and beyond
Khorasaninejad et al. Efficient polarization beam splitter pixels based on a dielectric metasurface
US20010012149A1 (en) Optical elements comprising photonic crystals and applications thereof
Li et al. Arbitrarily structured quantum emission with a multifunctional metalens
US10877193B2 (en) Polarization independent wideband reflectors and methods for their manufacture
Kroker et al. High efficiency two-dimensional grating reflectors with angularly tunable polarization efficiency
Jeon et al. Recent advancements of metalenses for functional imaging
JP3702445B2 (en) Optical element and apparatus using the optical element
Luo Multiscale optical field manipulation via planar digital optics
Peng et al. Near-infrared Fano resonance in asymmetric silicon metagratings
Peng et al. Metalens in Improving Imaging Quality: Advancements, Challenges, and Prospects for Future Display
RU2777799C1 (en) Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with orbital angular moments (oam)
Van Acoleyen Nanophotonic beamsteering elements using silicon technology for wireless optical applications
JP2003255116A (en) Optical element
US20230070293A1 (en) Ultra-high-vacuum cell with integrated meta-optics
You et al. Ultra-compact and low loss onchip higher order mode pass filter based on topology optimization
JP2007256536A (en) Optical control element and optical unit
Ren et al. Nonpolarizing guided-mode resonance filter with high tolerance of conical angle
Peng et al. Multifunctional silicon metagratings based on multiple periodicity design