Forscher am Beijing Institute of Technology haben einen photonischen TAM-Manipulator entwickelt, der den Drehimpuls von Photonen effektiv nutzt und so neue Wege für die Datenübertragung, Verschlüsselung und Quantensignalverarbeitung eröffnet. Die neue Technologie ermöglicht eine effiziente Identifizierung und Echtzeitsteuerung von Drehimpulsmustern.

Rotierende Objekte tragen einen Drehimpuls, eine Eigenschaft, die sich auf die kleinsten Teilchen wie Photonen auswirkt. Photonen besitzen zwei verschiedene Formen von Drehimpulsen: Spindrehimpuls (SAM) und Orbitaldrehimpuls (OAM). Der Spin-Drehimpuls tanzt zwischen zwei Eigenwerten, die eine linke und rechte Zirkularpolarisation darstellen, während der Bahndrehimpuls eine unendliche Anzahl von Eigenwerten aufweist, die der Spiralphase entsprechen. Wenn SAM mit OAM kombiniert wird, erleben wir die Entstehung des „Total Angular Impulsum“ (TAM), einer photonischen Toolbox mit einem breiten Anwendungsspektrum, das Lidar, Laserbearbeitung, optische Kommunikation, optisches Rechnen, Quanteninformation und mehr umfasst.

So wie OAM revolutionäre Veränderungen auf diesem Gebiet mit sich gebracht hat, ist auch die effiziente Identifizierung und Echtzeitsteuerung von TAM-Mustern der Schlüssel zu den bahnbrechenden Anwendungen von TAM. Bestehende Methoden zur Identifizierung von Photonen-TAM-Zuständen weisen jedoch Einschränkungen auf, einschließlich eines begrenzten Dynamikbereichs, einer geringen Identifizierungsgenauigkeit und der Unfähigkeit, Filter im laufenden Betrieb anzupassen. Diese Einschränkungen begrenzen den Entwicklungs- und Anwendungsfortschritt von TAM. Das Extrahieren des gewünschten TAM-Musters aus einem Photonenstrahl bleibt ein ungelöstes Rätsel.

Konzeptionelle Struktur des Gesamtdrehimpulsmanipulators: Ein Strahl, der mehrere Drehimpulsmodi trägt, wird durch den Manipulator gefiltert. Quelle: Li et al., doi10.1117/1.AP.5.5.056002.

Laut der Zeitschrift Advanced Photonics haben Forscher am Beijing Institute of Technology einen photonischen TAM-Manipulator entwickelt, der Hindernisse beseitigt und eine bedarfsgesteuerte Manipulation von SAMs und OAMs ermöglicht. Ihr Ansatz beinhaltet eine symmetrische Kaskade aus zwei ähnlichen Einheiten: einem TAM-Splitter und einem TAM-Wechselrichter. Diese Einheiten bestehen aus speziellen optischen Elementen, die Auspacker und Korrektoren genannt werden.

Wir können uns den photonischen TAM-Manipulator als Dirigenten vorstellen, der ein Symphonieorchester aus Licht leitet. Der TAM-Splitter wandelt den einfallenden Strahl in eine räumlich angeordnete Kombination von Streifen um, wobei jeder Streifen ein TAM-Muster darstellt. Der räumliche Filter beginnt zu arbeiten und entscheidet, welche TAM-Muster beibehalten und welche blockiert werden müssen. Schließlich bringt der TAM-Umkehrer den getrennten Strahl zurück in den räumlichen Bereich, um die Symphonie zu vervollständigen. Dieser Konvertierungsprozess ordnet den einfallenden Strahl aus der räumlichen Domäne der „Positions-TAM-Domäne“ zu und ermöglicht so eine Filterung vor der Konvertierung in die räumliche Domäne.

Systemleistung in Pass-Through- und selektiven Blockierungssituationen, wenn mehrere TAM-Zustände auftreten. (a) Experimentelle Ergebnisse des einfallenden Strahls; (b) TAM-Spektren des Ausgangsstrahls in den beiden oben genannten Fällen. Im Pass-Through-Fall ist der Ausgabemodus derselbe wie der Eingabemodus. Für den Fall der selektiven Blockierung ist der auf der Trennebene platzierte räumliche Filter Sp2. Wenn sie blockiert sind, ändert sich das Muster dieser Strahlen von blütenblattförmig zu donutförmig. Quelle: Li et al., doi10.1117/1.AP.5.5.056002.

Die von den Forschern gemeldete experimentelle Demonstration unterstützt die Identifizierung von bis zu 42 einzelnen TAM-Mustern. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass TAM eine gute zustandsselektive Leistung aufweist und daher besonders attraktiv für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen mit großer Kapazität und hochsichere photonische Verschlüsselungssysteme ist. Es bietet auch neue Perspektiven für High-Fidelity-Photonic-Computing und Quantenradar-Signalverarbeitung.