I fasci ottici che trasportano il momento angolare orbitale (OAM) hanno attirato una crescente attenzione negli ultimi decenni, esibendo applicazioni dirompenti in una vasta gamma di campi:intrappolamento di particelle e pinzette, microscopia ad alta risoluzione, coronagrafia astronomica, telecomunicazioni e sicurezza ad alta capacità.

I fasci di luce che trasportano OAM sono dotati di peculiari fronti d'onda intrecciati, e modi con OAM diverso sono tra loro ortogonali e possono trasportare canali di informazione indipendenti alla stessa frequenza senza alcuna interferenza. Nel campo delle telecomunicazioni, lo spazio degli stati potenzialmente illimitato fornito da questo grado di libertà non sfruttato offre una soluzione promettente per aumentare la capacità informativa delle reti ottiche e risolvere, in modo sostenibile, il problema della saturazione della frequenza, altrimenti chiamato "crunch ottico", ' questo approccio è valido sia per la propagazione in spazio libero che per fibra ottica.

Attualmente, è urgente sviluppare ulteriormente nuovi dispositivi in ​​grado di riconfigurare e passare da modalità OAM distinte per sfruttare appieno il grado di libertà aggiuntivo fornito dall'OAM sia per le comunicazioni classiche che quantistiche. Finora, i metodi convenzionali sono utili solo per implementare operazioni di turno su OAM, cioè., addizione o sottrazione.

Per la prima volta, nuovi elementi ottici sono stati progettati e fabbricati per eseguire la moltiplicazione e la divisione del momento angolare orbitale della luce in modo compatto ed efficiente. Lo studio è stato condotto dal Dott. Gianluca Ruffato, Dott. Michele Massari, e il Prof. Filippo Romanato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Padova, in Italia. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .

L'elemento chiave di queste ottiche è rappresentato da una trasformazione ottica che mappa il gradiente di fase azimutale del fascio OAM in ingresso su un settore circolare. Combinando più trasformazioni a settore circolare in un unico elemento ottico, è possibile moltiplicare il valore dello stato OAM in ingresso suddividendo e mappando la fase su settori circolari complementari. Al contrario, combinando più trasformazioni inverse, la divisione del valore di OAM iniziale è ottenibile mappando distinti settori circolari complementari del fascio di ingresso in un uguale numero di gradienti di fase circolari.

Gli elementi ottici progettati sono stati fabbricati sotto forma di ottica diffrattiva di sola fase miniaturizzata e compatta con litografia a fascio di elettroni ad alta risoluzione, e caratterizzato otticamente nell'intervallo visibile per dimostrare la capacità prevista di moltiplicare o dividere l'OAM del fascio di ingresso.

Questo studio può trovare applicazioni promettenti per la generazione moltiplicativa di modalità OAM di ordine superiore, elaborazione ottica delle informazioni basata sulla trasmissione OAM-beam, e routing/switching ottico nelle telecomunicazioni, sia nel regime classico che a singolo fotone.