[論文レビュー] Orbital angular momentum complex spectrum analyzer for vortex light based on rotational Doppler Effect

Hailong Zhou, Dongzhi Fu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、渦状光のOAMモードのパワーおよび位相分布を同時に測定するために回転ドップラー効果を用いた新規な位相角運動量（OAM）複素スペクトルアナライザーを提案する。光検出器を介してOAMモードを混合信号の電気スペクトルにマッピングすることにより、重ね合わせられたOAMビームのリアルタイムで定量的な解析が可能となり、偏光状態などの他の空間モードへも応用可能である。

ABSTRACT

The function to measure orbital angular momentum (OAM) distribution of vortex light is essential for OAM applications. Although there are lots of works to measure OAM modes, it is difficult to measure the power distribution of different OAM modes quantitatively and instantaneously, let alone measure the phase distribution among them. In this work, we demonstrate an OAM complex spectrum analyzer, which enables to measure the power and phase distribution of OAM modes simultaneously by employing rotational Doppler Effect. The original OAM mode distribution is mapped to electrical spectrum of beating signals with a photodetector. The power distribution and phase distribution of superimposed OAM beams are successfully retrieved by analyzing the electrical spectrum. We also extend the measurement to other spatial modes, such as linear polarization modes. These results represent a new landmark of spatial mode analysis and show great potentials in optical communication and OAM quantum state tomography.

研究の動機と目的

• 渦状光における複数のOAMモードのパワーおよび位相分布を定量的かつリアルタイムに測定する手法を開発すること。
• 従来のOAM測定技術では同時に位相と振幅の両情報を回復できないという制限を克服すること。
• 光通信および量子情報分野における高精度な空間モード解析を可能にすること。
• 純粋なOAMモードにとどまらず、線形偏光状態などの他の空間モードへも測定能力を拡張すること。

提案手法

• 回転する位相プレートを用いて入射するOAMビームに回転ドップラーシフトを誘発し、軌道的角運動量を測定可能な周波数シフトに変換する。
• OAMビームと参照ビームの干渉信号を光検出器で捉え、その電気的ビート信号のスペクトルがOAMモード情報に符号化されることを実現する。
• 電気スペクトルの解析により、重ね合わせ状態にある各OAMモードのパワーおよび相対位相を回復する。
• 参照ビームの設定を変更することで、OAMにとどまらない空間モード（線形偏光状態など）の解析へも応用可能である。
• 理論的モデルにより、OAMモード分布が電気スペクトルに線形にマッピングされることを確認し、曖昧さのない再構成が可能であることを裏付けた。
• 回転する位相プレートと高帯域幅検出を備えたマハロンズキ・タイプの干渉計設定を用いて、実験的妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転ドップラー効果を用いてOAMモード分布を測定可能な電気スペクトルにマッピングできるか？
• RQ2 重ね合わせ状態における複数のOAMモードのパワーおよび位相分布を同時に回復できるか？
• RQ3 混合空間モードビームにおける個々のOAMモードをどれほど高精度に解像できるか？
• RQ4 線形偏光状態などの非OAM空間モードの解析へもこの手法を拡張可能か？
• RQ5 実用的な光環境下において、OAM複素スペクトルアナライザーのダイナミックレンジおよび分解能はどの程度か？

主な発見

• 電気的ビート信号スペクトルの解析により、重ね合わせられたOAMビームのパワーおよび位相分布が正常に回復された。
• 回転ドップラー効果により、OAMモードインデックスが電気ドメインにおける周波数成分に直接線形マッピング可能であることが実証された。
• 本手法は、高分解能かつリアルタイム性を備えた複数OAMモードの同時測定を達成した。
• トポロジカルチャージが-4から+4までのOAMモードに対して実証され、正確な再構成が可能であることが示された。
• 線形偏光状態などの空間モードに対しても測定が可能であることが確認され、純粋なOAM解析を超えた広範な応用性を示した。
• 実験結果により、回転ドップラーシフトを用いた光学系におけるフルフィールド空間モード特徴化の実現可能性が裏付けられた。