Comment génère-t-on une OAM? Quelles sont les possibilités des générateurs d’OAM sur le marché ?

Dans un premier article, nous nous sommes intéressés à ce qu’était une onde à OAM (Orbital Angular Momentum) et à ses propriétés. Le présent article s’attelle désormais à la description et à la comparaison des générateurs d’OAM disponibles aujourd’hui sur le marché.

Généralement, la méthode consiste à modifier la forme d’un faisceau gaussien en lui appliquant un objet de phase en forme d’hélice. Pour ce faire, plusieurs techniques peuvent être utilisées.

Lentilles cylindriques :

Cette méthode a été la première utilisée pour générer des ondes OAM. Elle consiste à transformer un faisceau gaussien Hermite Gauss (HG) en entrée en le décomposant pour former des modes Laguerre Gauss (LG) à l’aide de deux lentilles cylindriques. Chaque série de mode HG subit plusieurs transformations de phase successives pour former un mode LG.

Cette décomposition mathématique et optique permet d’obtenir des faisceaux d’excellente qualité en sortie à condition que les éléments optiques soient parfaitement alignés.

Malheureusement, cette méthode est particulièrement difficile à mettre en œuvre puisqu’elle nécessite d’avoir un bon générateur de mode HG.

Lame de phase en spirale :

Un faisceau lumineux peut acquérir une OAM en traversant une plaque de phase en spirale, d’une épaisseur variable. Cette lame de phase en spirale a la capacité de créer un faisceau vortex dont la forme et les caractéristiques dépendent directement de la forme de la lame de phase.

Plus l’on souhaite une charge topologique élevée (i.e. un nombre d’hélice élevé), plus la différence de hauteur entre le début et la fin de la spire sera élevée. Malheureusement, chaque lame est seulement capable de ne générer qu’un seul type de faisceau twisté en sortie et donc un seul type d’OAM.

Hologramme de phase :

A l’aide d’un réseau de diffractions, il est possible de générer une OAM par l’alternance régulière d’interférences constructives et destructives. Cette figure d’interférences est appelée un hologramme. La représentation d’un hologramme de phase imprimé sur un support transparent, permettant de générer l’OAM d’une onde peut être vu comme un hologramme ayant la forme d’une « fourchette ». 

La qualité des OAM formés par ce type d’élément est correcte lors de la formation d’OAM de petit ordre mais cette qualité de faisceau a tendance à fortement se détériorer pour des OAM de plus grand ordre.

En effet, l’ordre du faisceau est directement proportionnel à la fréquence des interférences. Il en découle donc une limite liée à la capacité d’imprimer des hologrammes très fins et résolus. De plus, d’un point de vue énergétique, ce type de réseau, une fois éclairé, génère 3 faisceaux en sortie dont seulement un nous est utile.

Métamatériaux :

Un métamatériau est un matériau composite qui présente des propriétés électromagnétiques qu’on ne retrouve pas dans un matériau naturel. Des recherches ont montré la capacité d’un métamatériau ultrafin à changer la phase d’un faisceau incident pour obtenir une OAM.

Les travaux sur les métamatériaux sont relativement nouveaux pour cette technologie qui n’est pas suffisamment mûre. De plus, chaque métamatériau n’est capable de créer qu’une seule onde à OAM ce qui limite les possibilités du système pour le multiplexage d’OAM. Enfin, sa structure dévie le faisceau d’entrée ce qui rend son intégration non triviale.

Spatial Light Modulator:

Composé d’une matrice pixelisée de cristaux liquides, les molécules la composant peuvent être programmées pour modifier les paramètres du faisceau incident y compris sa phase pour créer un faisceau twisté.

Le SLM est ainsi capable de se comporter à la fois comme un hologramme de phase en spirale et en fourchette pour former des OAM de différentes configurations.

Malheureusement, ce type d’élément optique n’est pas capable de résister aux lasers de fortes puissances. De plus, il nécessite un pilotage via ordinateur et ne constitue pas une technologie passive.

Q-plates:

Les « Q-plates », comme les SLM sont composés d’un matériau anisotrope qui, comme les lames de phases, est capable de transformer un faisceau gaussien polarisé circulairement en un faisceau twisté porteur d’une OAM.  Les avantages technologiques des Q-plates sont leurs forts rendements de conversion.

De plus, elles ne dévient pas le faisceau incident par rapport aux méthodes holographiques et elles peuvent être utilisées dans une large gamme de fréquences. Malheureusement, les Q-plates ne sont généralement capables de générer qu’un seul type de mode par modèle.

Multi Plane Light Conversion (MPLC):

Le MPLC par sa technologie réfléchissante est un processus optique passif dont le principe est dérivé de l’optique quantique. Il est capable, avec peu de pertes, de générer plusieurs faisceaux OAM, y compris à de fortes puissantes, par l’intermédiaire de réflexion sur des surfaces structurées suivies de propagation en espace libre. Il permet aussi de faire du multiplexage spatial de mode (SDM).

Par l’injection de N entrées vers une sortie constituée de N modes, l’information peut ensuite être décodée par un système inversé démultiplexant l’information en sortie. Cailabs, par l’intermédiaire de son produit PROTEUS, commercialise aujourd’hui ce composant unique à disposition des équipes de chercheurs dans le domaine des OAM.

L’infographie ci-dessous a pour but de résumer et comparer l’ensemble de ces technologies.

Conclusion

Les ondes à OAM sont aujourd’hui la source de nombreux espoirs pour les développements des futurs moyens de communications, fibrés ou en espace libre, aussi bien pour sécuriser l’information que pour décongestionner des réseaux de plus en plus limités par une demande de plus en plus gourmande d’échanges de données.

La solution PROTEUS est un multiplexeur spatial robuste et versatile destiné au Space Division Multiplexing (SDM ou multiplexage spatial de mode). Unique en son genre car bénéficiant de la technologie Multi-Plane Light Conversion de Cailabs, elle est un formidable outil pour la génération d’OAM.

En plus de générer des faisceaux de grande pureté, elle est capable de résoudre l’ensemble des contraintes rencontrées par les autres technologies tout en étant, par son caractère réversible, un parfait outil pour décoder et relire ces informations. C’est aujourd’hui la seule solution commerciale qui propose du multiplexage spatial de modes OAM.

Bibliographie:

(1) Long Li, Runzhou Zhang, Zhe Zhao, Guodong Xie &al – “High-Capacity Free-Space Optical Communications Between a Ground Transmitter and a Ground Receiver via a UAV Using Multiplexing of Multiple Orbital-Angular-Momentum Beams” – Lire l’article

(2) Cong Liu, Kai Pang, Yongxiong Ren, Jiapeng Zhao &al – “Demonstration of Adaptive Optics Compensation for Emulated Atmospheric Turbulence in a Two-Orbital-Angular-Momentum Encoded Free-Space Quantum Link at 10 Mbits/s” – Lire l’article

(3) Cong Liu, Kai Pang, Zhe Zhao, Peicheng Liao & al. – “Single-End Adaptive Optics Compensation for Emulated Turbulence in a Bi-Directional 10-Mbit/s per Channel Free-Space Quantum Communication Link Using Orbital-Angular-Momentum Encoding” – Lire l’article

(4) Rui Chen, Hong Zhou, Marco Moretti, Xiaodong Wang, and Jiandong Li – “Orbital Angular Momentum Waves: Generation, Detection and Emerging Applications” – Lire l’article

(images): “Angular Momentum of Light” – E. Karimi – Wikipedia

Par Tangi Le Guennic

Ingénieur INSA spécialisé en science des matériaux et en optique, Tangi Le Guennic est chef de produits et projets à Cailabs. Il possède une solide expérience en R&D dans le développement de capteurs optiques pour les systèmes aéronautiques ainsi que dans la gestion de projets de vision industrielle. A Cailabs, Tangi travaille sur le développement et la commercialisation de solutions optiques innovantes pour les applications PROTEUS et Custom (défense, aéronautique, automobile, biomédical…).