[논문 리뷰] Orbital angular momentum complex spectrum analyzer for vortex light based on rotational Doppler Effect

Hailong Zhou, Dongzhi Fu외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 02.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비틀림 빛에서 OAM 모드의 전력 및 위상 분포를 동시에 측정하기 위해 회전 도플러 효과를 활용하는 새로운 궤도 각운동량(OAM) 복합 스펙트럼 분석기를 제시한다. 광검출기를 통해 OAM 모드를 충돌 신호의 전기 스펙트럼으로 매핑함으로써, 중첩된 OAM 빛을 실시간으로 정량적으로 분석할 수 있으며, 선형 편광 상태와 같은 다른 공간 모드로도 확장 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비틀림 빛에서 다수의 OAM 모드의 전력 및 위상 분포를 정량적이고 실시간으로 측정하는 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 OAM 측정 기술이 동시에 진폭과 위상 정보를 복원할 수 없는 한계를 극복하기 위해.
• 광통신 및 양자 정보 분야에서의 응용을 위해 고정밀 공간 모드 분석을 가능하게 하기 위해.
• 순수한 OAM 모드를 초월하여 선형 편광 상태와 같은 다른 공간 모드까지 측정 능력을 확장하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 입사된 OAM 빛에 대해 궤도 각운동량을 측정 가능한 주파수 이동으로 유도하기 위해 회전하는 위상판을 사용한다.
• OAM 빛과 기준 빛 간의 간섭 신호를 광검출기가 캡처하여 전기 비트 신호를 생성하며, 이 신호의 스펙트럼이 OAM 모드 정보를 포함한다.
• 전기 스펙트럼을 분석하여 중첩 상태에 있는 각 OAM 모드의 전력과 상대 위상을 모두 복원한다.
• 기준 빛의 구성 방식을 변경함으로써 OAM을 초월한 공간 모드, 예를 들어 선형 편광 상태까지 분석할 수 있도록 방법을 확장한다.
• 이론적 모델링은 OAM 모드 분포가 전기 스펙트럼에 선형적으로 매핑됨을 확인하여 명확한 재구성 가능성을 보장한다.
• 회전하는 위상판과 고대역폭 검출을 갖춘 막스-젠더 유사 간섭계 구조를 사용한 실험적 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전 도플러 효과를 사용하여 OAM 모드 분포를 측정 가능한 전기 스펙트럼으로 매핑할 수 있는가?
• RQ2 중첩 상태에서 다수의 OAM 모드의 전력 및 위상 분포를 동시에 복원할 수 있는가?
• RQ3 혼합된 공간 모드 빛에서 개별 OAM 모드를 얼마나 정확하게 해상할 수 있는가?
• RQ4 이 방법을 선형 편광 상태와 같은 비-OAM 공간 모드 분석으로 확장할 수 있는가?
• RQ5 실용적인 광학 환경에서 OAM 복합 스펙트럼 분석기의 다이내믹 레인지와 해상도는 얼마인가?

주요 결과

• 전기 비트 신호의 스펙트럼 분석을 통해 중첩된 OAM 빛의 전력 및 위상 분포를 성공적으로 복원하였다.
• 회전 도플러 효과는 OAM 모드 인덱스를 전기 도메인의 주파수 성분으로 직접 선형 매핑 가능하게 한다.
• 고해상도와 실시간 능력을 갖춘 다수의 OAM 모드를 동시에 측정할 수 있었다.
• 상태 수치가 -4에서 +4인 OAM 모드에 대해 실험적으로 검증되었으며, 정확한 재구성이 가능함을 입증하였다.
• 선형 편광 상태와 같은 공간 모드까지 측정할 수 있도록 방법을 확장하였으며, 순수한 OAM 분석을 넘어서 광범위한 적용 가능성을 보였다.
• 실험 결과는 회전 도플러 이동을 활용한 광 시스템 내 전장 공간 모드 특성 분석의 실현 가능성을 확인하였다.