Los haces ópticos que transportan el momento angular orbital (OAM) han atraído una atención creciente durante las últimas décadas, exhibiendo aplicaciones disruptivas en una amplia gama de campos:atrapamiento de partículas y pinzas, microscopía de alta resolución, coronagrafía astronómica, telecomunicaciones y seguridad de alta capacidad.

Los haces de luz que transportan OAM están dotados de peculiares frentes de onda retorcidos, y los modos con diferentes OAM son ortogonales entre sí y pueden transportar canales de información independientes a la misma frecuencia sin ninguna interferencia. En el campo de las telecomunicaciones, El espacio de estado potencialmente ilimitado proporcionado por este grado de libertad sin explotar ofrece una solución prometedora para aumentar la capacidad de información de las redes ópticas y resolver, de forma sostenible, el problema de la saturación de frecuencia, también llamado el 'crujido óptico, «Este enfoque es válido tanto para la propagación en el espacio libre como para la propagación por fibra óptica.

En la actualidad, Es urgente seguir desarrollando dispositivos novedosos que puedan reconfigurar y cambiar entre distintos modos OAM para aprovechar al máximo el grado adicional de libertad proporcionado por el OAM tanto para comunicaciones clásicas como cuánticas. Hasta aquí, Los métodos convencionales son útiles solo para implementar operaciones de turno en el OAM, es decir., suma o resta.

Por primera vez, Se han diseñado y fabricado nuevos elementos ópticos para realizar la multiplicación y división del momento angular orbital de la luz de una manera compacta y eficiente. El estudio ha sido realizado por el Dr. Gianluca Ruffato, Dr. Michele Massari, y el Prof. Filippo Romanato del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Padua, en Italia. Los resultados de la investigación se han publicado recientemente en Luz:ciencia y aplicaciones .

El elemento clave de estas ópticas está representado por una transformación óptica que mapea el gradiente de fase azimutal del haz OAM de entrada en un sector circular. Al combinar múltiples transformaciones de sector circular en un solo elemento óptico, es posible multiplicar el valor del estado OAM de entrada dividiendo y mapeando la fase en sectores circulares complementarios. En cambio, mediante la combinación de múltiples transformaciones inversas, la división del valor OAM inicial se puede lograr mapeando distintos sectores circulares complementarios del haz de entrada en un número igual de gradientes de fase circular.

Los elementos ópticos diseñados se han fabricado en forma de óptica difractiva de fase compacta y miniaturizada con litografía por haz de electrones de alta resolución. y caracterizado ópticamente en el rango visible para demostrar la capacidad esperada para multiplicar o dividir el OAM del haz de entrada.

Este estudio puede encontrar aplicaciones prometedoras para la generación multiplicativa de modos OAM de orden superior, procesamiento de información óptica basado en la transmisión de haz OAM, y enrutamiento / conmutación óptica en telecomunicaciones, tanto en el régimen clásico como en el de fotón único.