Les faisceaux optiques transportant un moment angulaire orbital (OAM) ont attiré une attention croissante au cours des dernières décennies, présentant des applications disruptives dans un large éventail de domaines :piégeage de particules et pincement, microscopie haute résolution, coronographie astronomique, télécommunications et sécurité à haute capacité.

Les faisceaux lumineux porteurs d'OAM sont dotés de fronts d'onde torsadés particuliers, et les modes avec différents OAM sont orthogonaux les uns aux autres et peuvent transporter des canaux d'information indépendants à la même fréquence sans aucune interférence. Dans le domaine des télécoms, l'espace d'état potentiellement illimité fourni par ce degré de liberté inexploité offre une solution prometteuse pour augmenter la capacité d'information des réseaux optiques et résoudre, de manière durable, le problème de la saturation en fréquence, autrement appelé le « craquement optique », ' cette approche étant valable à la fois pour la propagation en espace libre et par fibre optique.

Actuellement, il est urgent de développer davantage de nouveaux dispositifs capables de reconfigurer et de basculer entre des modes OAM distincts afin d'exploiter pleinement le degré de liberté supplémentaire fourni par l'OAM pour les communications classiques et quantiques. Jusque là, les méthodes conventionnelles ne sont utiles que pour mettre en œuvre des opérations de décalage sur l'OAM, c'est à dire., addition ou soustraction.

Pour la première fois, de nouveaux éléments optiques ont été conçus et fabriqués pour effectuer la multiplication et la division du moment angulaire orbital de la lumière d'une manière compacte et efficace. L'étude a été menée par le Dr Gianluca Ruffato, Dr Michèle Massari, et le professeur Filippo Romanato du Département de physique et d'astronomie de l'Université de Padoue, en Italie. Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans Lumière :science et applications .

L'élément clé de ces optiques est représenté par une transformation optique mappant le gradient de phase azimutal du faisceau OAM d'entrée sur un secteur circulaire. En combinant plusieurs transformations de secteurs circulaires en un seul élément optique, il est possible de multiplier la valeur de l'état OAM d'entrée en divisant et en mappant la phase sur des secteurs circulaires complémentaires. Inversement, en combinant plusieurs transformations inverses, la division de la valeur OAM initiale est réalisable en mappant des secteurs circulaires complémentaires distincts du faisceau d'entrée en un nombre égal de gradients de phase circulaires.

Les éléments optiques conçus ont été fabriqués sous la forme d'optiques diffractives à phase seule miniaturisées et compactes avec une lithographie à faisceau d'électrons à haute résolution, et caractérisé optiquement dans le domaine visible pour démontrer la capacité attendue à multiplier ou à diviser l'OAM du faisceau d'entrée.

Cette étude peut trouver des applications prometteuses pour la génération multiplicative de modes OAM d'ordre supérieur, traitement optique de l'information basé sur la transmission par faisceau OAM, et le routage/commutation optique dans les télécoms, à la fois dans les régimes classique et à photon unique.