(45-6) 08 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Полностью волоконный вентиль SWAP-CNOT для оптических вихрей
Е.В. Баршак 1, Б.П. Лапин 1, Д.В. Викулин 1, С.С. Алиева 1, К.Н. Алексеев 1, М.А. Яворский 1

1 Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского,
295007, Россия, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4

 PDF, 1087 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-938

Страницы: 853-859.

Аннотация:
В данной работе исследовано распространение оптических вихрей в системе оптических волокон, состоящей из последовательно расположенных мультигеликоидального и скрученного анизотропного волокон. Показано, что в определенных резонансных режимах оптических волокон такая система позволяет осуществлять контролируемое изменение знака топологического заряда и циркулярной поляризации входного оптического вихря. Кроме того, установлены параметры мультигеликоидального и анизотропного волокон, при которых исследуемая система реализует логическую операцию, которая соответствует последовательному применению базовых двухкубитовых вентилей SWAP и CNOT над состояниями циркулярно поляризованных оптических вихрей.

Ключевые слова:
оптические вихри, орбитальный угловой момент, логические элементы, анизотропные оптические волокна, двулучепреломление, волоконная оптика.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации, грант № МК-329.2020.2 (исследование управления угловым моментом оптических вихрей), и РФФИ, проект № 20-47-910001 (численный подбор параметров волокон для реализации вентилей SWAP и CNOT).

Цитирование:
Баршак, Е.В. Полностью волоконный вентиль SWAP-CNOT для оптических вихрей / Е.В. Баршак, Б.П. Лапин, Д.В. Викулин, С.С. Алиева, К.Н. Алексеев, М.А. Яворский // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 6. – С. 853-859. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-938.

Citation:
Barshak EV, Lapin BP, Vikulin DV, Alieva SS, Alexeyev CN, Yavorsky MA. All-fiber SWAP-CNOT gate for optical vortices. Computer Optics 2021; 45(6): 853-859. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-938.

Литература:
  1. Shen, Y. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities / Y. Shen, X. Wang, X. Zhenwei, C. Min, X. Fu, Q. Liu, M. Gong, X. Yuan // Light: Science & Applications. – 2019. – Vol. 8. – 90. – DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
  2. Friese, M.E.J. Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles / M.E.J. Friese, T.A. Nieminen, N.R. Heckenberg, H. Rubinsztein-Dunlop // Nature. – 1998. – Vol. 394. – P. 348-350.
  3. Garces-Chavez, V. Transfer of orbital angular momentum to an optically trapped low-index particle / V. Garces-Chavez, K. Volke-Sepulveda, S. Chavez-Cerda, W. Sibbett, K. Dholakia // Physical Review A. – 2002. – Vol. 66. – 063402.
  4. Spektor, B. Singular beam microscopy / B. Spektor, A. Normatov, J. Shamir // Applied Optics. – 2008. – Vol. 47. – P. A78-A87.
  5. Foo, G. Optical vortex coronograph / G. Foo, D.M. Palacios, G.A. Shwartzlander, Jr. // Optics Letters. – 2005. – Vol. 30. – P. 3308-3310.
  6. Swartzlander, G.A., Jr. Peering into darkness with a vortex spatial filter / G.A. Swartzlander, Jr. // Optics Letters. – 2001. – Vol. 26. – P. 497-499.
  7. Soifer, V.A. Vortex beams in turbulent media: review / V.A. Soifer, O. Korotkova, S.N. Khonina, E.A. Shchepakina // Computer Optics. – 2016. – Vol. 40(5). – P. 605-624. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-605-624.
  8. Bozinovic, N. Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers / N. Bozinovic, Y. Yue, Y. Ren, M. Tur, P. Kristensen, H. Huang, A.E. Willner, S. Ramachandran // Science. – 2013. – Vol. 340. – 1545.
  9. Qiao, W. Approach to multiplexing fiber communication with cylindrical vector beams / W. Qiao, T. Lei, Z. Wu, S. Gao, Z. Li, X. Yuan // Optics Letters. – 2017. – Vol. 42. – P. 2579-2582.
  10. Карпеев, С.В. Передача через атмосферу высокоскоростного сигнала формата 1000BASE-SX/LX вихревыми пучками ближнего ИК-диапазона при помощи модифицированных SFP-трансиверов DEM-310GT / С.В. Карпеев, В.В. Подлипнов, Н.А. Ивлиев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 4. – С. 578-581. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-772.
  11. Yao, M. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / M. Yao, M.J. Padgett // Advances in Optics and Photonics. – 2011. – Vol. 3. – P. 161-204.
  12. Willner, E. Optical communications using orbital angular momentum beams / E. Willner, H. Huang, Y. Yan [et al.] // Advances in Optics and Photonics. – 2015. – Vol. 7. – P. 66-106.
  13. Padgett, M.J. Orbital angular momentum 25 years on / M.J. Padgett // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 10. – P. 11265-11274. – DOI: 10.1364/OE.25.011265.
  14. Essiambre, R. Capacity trends and limits of optical communication networks / R. Essiambre, R. Tkach // Proceedings of the IEEE. – 2012. – Vol. 100. – P. 1035-1055.
  15. Wang, J. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing / J. Wang, J.-Y. Yang, I.M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, A.E. Willner // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6. – P. 488-496.
  16. Wang, F.-X. Scalable orbital-angular-momentum sorting without destroying photon states / F.-X. Wang, W. Chen, Z.-Q. Yin, S. Wang, G.-C. Guo, Z.-F. Han // Physical Review A. – 2016. – Vol. 94. – 033847.
  17. Dudley, A. All-digital wavefront sensing for structured light beams / A. Dudley, G. Milione, P.R. Alfano, A. Forbes // Optics Express. – 2014. – Vol. 22. – P. 14031-14040.
  18. Franke-Arnold, S. Uncertainty principle for angular position and angular momentum / S. Franke-Arnold, S. Barnett, E. Yao, J. Leach, J. Courtial, M. Padgett // New Journal of Physics. – 2004. – Vol. 6. – 103.
  19. Yavorsky, M.A. Polarization-dependent orbital angular momentum flipping in fibers with acousto-optic interaction / M.A. Yavorsky, D.V. Vikulin, E.V. Barshak, B.P. Lapin, C.N. Alexeyev // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1368. – 022067. – DOI: 10.1088/1742-6596/1368/2/022067.
  20. Yavorsky, M.A. All-fiber polarization-dependent optical-vortex-controlling via acousto-optic interaction / M.A. Yavorsky, D.V. Vikulin, E.V. Barshak, B.P. Lapin, C.N. Alexeyev // Days on Diffraction (DD). – 2019. – P. 238-243. – DOI: 10.1109/DD46733.2019.9016567.
  21. Yavorsky, M.A. Spin-dependent OAM flipping in multihelical optical fibres / M.A. Yavorsky, E.V. Barshak, D.V. Vikulin, C.N. Alexeyev // Journal of Optics. – 2018. – Vol. 20, Issue 11. – 115601. – DOI: 10.1088/2040-8986/aae3ff.
  22. Alexeyev, C. Toffoli gate in twisted anisotropic and multihelical optical fibers / C. Alexeyev, E. Barshak, D.V. Vikulin, B. Lapin, M. Yavorsky // Days on Diffraction (DD). – 2020. – P. 7-12. – DOI: 10.1109/DD49902.2020.9274577.
  23. Barshak, E.V. Twisted anisotropic fibers for robust orbital-angular-momentum-based information transmission / E.V. Barshak, C.N. Alexeyev, B.P. Lapin, M.A. Yavorsky // Physical Review A. – 2015. – Vol. 91. – 033833. – DOI: 10.1103/PhysRevA.91.033833.
  24. Barshak, E.V. Robust higher-order optical vortices for information transmission in twisted anisotropic optical fibers / E.V. Barshak, D.V. Vikulin, B.P. Lapin, S.S. Alieva, C.N. Alexeyev, M.A. Yavorsky // Journal of Optics. – 2021. – Vol. 23, Issue 3. – 035603. – DOI: 10.1088/2040-8986/abda85.
  25. Alexeyev, C.N. Transformation of optical vortices in elliptical and anisotropic optical fibres / C.N. Alexeyev, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2007. – Vol. 9, Issue 4. – 387. – DOI: 10.1088/1464-4258/9/4/013.
  26. Alexeyev, C.N. Multi-helix chiral fibre filters of higher-order optical vortices / C.N. Alexeyev, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2007. – Vol. 9, Issue 5. – 537. – DOI: 10.1088/1464-4258/9/5/018.
  27. Alexeyev, C.N. Helical-core fiber analog of a quarter-wave plate for orbital angular momentum / C.N. Alexeyev, B.P. Lapin, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky // Optics Letters. – 2013. – Vol. 38, Issue 13. – P. 2277-2279. – DOI: 10.1364/OL.38.002277.
  28. Optical waveguide theory / A. Snyder, J.D. Love. – London: Chapman and Hall, 1983.
  1. .
  2. Jia, H. WDM-compatible multimode optical switching system-on-chip / H. Jia, S. Yang, T. Zhou, S. Shao, X. Fu, L. Zhang, L. Yang // Nanophotonics. – 2019. – Vol. 8, Issue 5. – P. 889-898. – DOI: 10.1515/nanoph-2019-0005.
  3. Williamson, I.A.D. Broadband optical switch based on an achromatic photonic gauge potential in dynamically modulated waveguides / I.A.D. Williamson, S. Fan // Physical Review Applied. – 2019. – Vol. 11, Issue 5. – 054035. – DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.054035.
  4. Ren, H. Liquid-based infrared optical switch / H. Ren, S. Xu, Y. Liu, S.-T. Wu // Applied Physics Letters. – 2012. – Vol. 101, Issue 4. – 041104. – DOI: 10.1063/1.4738995.
  5. Li, L. Optical switch based on electrowetting liquid lens / L. Li, C. Liu, H.-R. Peng, Q.-H. Wang // Journal of Applied Physics. – 2012. – Vol. 111, Issue 10. – 103103. – doi: 10.1063/1.4717715.
  6. Seok, T.J. Large-scale broadband digital silicon photonic switches with vertical adiabatic couplers / T.J. Seok, N. Quack, S. Han, R.S. Muller, M.C. Wu // Optica. – 2016. – Vol. 3, Issue 1. – P. 64-70. – DOI: 10.1364/OPTICA.3.000064.
  7. Bulgan, E. Submicron silicon waveguide optical switch driven by microelectromechanical actuator / E. Bulgan, Y. Kanamori, K. Hane // Applied Physics Letters. – 2008. – Vol. 92, Issue 10. – 101110. – DOI: 10.1063/1.2892677.
  8. Han, S. Large-scale polarization-insensitive silicon photonic MEMS switches / S. Han, T.J. Seok, K. Yu, N. Quack, R.S. Muller, M.C. Wu // Journal of Lightwave Technology. – 2018. – Vol. 36, Issue 10. – P. 1824-1830. – DOI: 10.1109/JLT.2018.2791502.
  9. Seok, T.J. Silicon photonic wavelength cross-connect with integrated MEMS switching / T.J. Seok, J. Luo, Z. Huang, K. Kwon, J. Henriksson, J. Jacobs, L. Ochikubo, R.S. Muller, M.C. Wu // APL Photonics. – 2019. – Vol. 4, Issue 10. – 100803. – DOI: 10.1063/1.5120063.
  10. Han, S. Large-scale silicon photonic switches with movable directional couplers / S. Han, T.J. Seok, N. Quack, B.-W. Yoo, M.C. Wu // Optica. – 2015. – Vol. 2, Issue 4. – P. 370-375. – DOI: 10.1364/OPTICA.2.000370.
  11. Strasser, T.A. Wavelength-selective switches for ROADM applications / T.A. Strasser, J.L. Wagener // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. – 2010. – Vol. 16, Issue 5. – P. 1150-1157. – DOI: 10.1109/JSTQE.2010.2049345.
  12. Zhang, C. Wavelength-selective 2  ×  2 optical switch based on a Ge2Sb2Te5-assisted microring / C. Zhang, M. Zhang, Y. Xie, Y. Shi, R. Kumar, R.R. Panepucci, D. Dai // Photonics Research. – 2020. – Vol. 8, Issue 7. – P. 1171-1176. – DOI: 10.1364/PRJ.393513.
  13. Christodoulides, D.N. Foreword / D.N. Christodoulides. – In: The photonic hook / O.V. Minin, I.V. Minin. – Cham: Springer, 2021. – P. vii-viii. – DOI: 10.1007/978-3-030-66945-4.
  14. Notomi, M. On-chip all-optical switching and memory by silicon photonic crystal nanocavities / M. Notomi, T. Tanabe, A. Shinya, E. Kuramochi, H. Taniyama // Advances in Optical Technologies. – 2008. – Vol. 2008. – 568936 (10 p.) – DOI: 10.1155/2008/568936.
  15. Geints, Y.E. Tailoring ‘photonic hook’ from Janus dielectric microbar / Y.E. Geints, I.V. Minin, O.V. Minin // Journal of Optics. – 2020. – Vol. 22, Issue 6. – 065606. – DOI: 10.1088/2040-8986/ab8e9e.
  16. Minin, I.V. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects / I.V. Minin, O.V. Minin, Yu.E. Geints // Annalen der Physik. – 2015. – Vol. 527, Issues 7-8. – P. 491-497. – DOI: 10.1002/andp.201500132.
  17. Minin, I.V. Experimental demonstration of tunable photonic hook by partially illuminated dielectric microcylinder / I.V. Minin, O.V. Minin, C.-Y. Liu, H.-D. Wei, Y. Geints, A. Karabchevsky // Optics Letters. – 2020. – Vol. 45, Issue 17. – P. 4899-4902. – DOI: 10.1364/OL.402248.
  18. Liu, C.-Y. Shaping photonic hook via well-controlled illumination of finite-size graded-index micro-ellipsoid / C.-Y. Liu, H.-J. Chung, O.V. Minin, I.V. Minin // Journal of optics. – 2020. – Vol. 22, Issue 8. – 085002. – DOI: 10.1088/2040-8986/ab9aaf.
  19. Minin, I.V. Simple free-space method for measurement of dielectric constant by means of diffractive optics with new capabilities / I.V. Minin, O.V. Minin, D.O. Golodnikov // Proceedings of the 8th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering. – 2006. – P. 13-18. – DOI: 10.1109/APEIE.2006.4292375.
  20. Kopylov, Y.V. Diffraction phenomena inside thick Fresnel zone plates / Y.V. Kopylov, A.V. Popov, A.V. Vinogradov // Radio Science.–1996. – Vol. 31, Issue 6. – P. 1815-1822. – DOI: 10.1029/96RS01939.
  21. Котляр, В.В. Гиперболическая фотонная струя / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.А. Ковалёв // Компьюьерная оптика. – 2012. – Т. 36, № 3. – С. 300-307.
  22. Su, H. Janus particles: design, preparation, and biomedical applications / H. Su, C.-A. Hurd Price, L. Jing, Q. Tian, J. Liu, K. Qian // Materials Today Bio. – 2019. – Vol. 4. – 100033. – DOI: 10.1016/j.mtbio.2019.100033.
  23. Minin, O.V. The photonic hook. From optics to acoustics and plasmonics / O.V. Minin, I.V. Minin. – Cham: Springer, 2021. – ISBN: 978-3-030-66944-7.
  24. Minin, I.V. Diffractive optics and nanophotonics. Resolution below the diffraction limit / I.V. Minin, O.V. Minin. – Cham: Springer, 2016. – ISBN: 978-3-319-24251-4.
  25. Tang, L. Nanometre-scale germanium photodetector enhanced by a near-infrared dipole antenna / L. Tang, S. Kocabas, S. Latif, A.K. Okyay, D.-S. Ly-Gagnon, K.C. Saraswatand, D.A.B. Miller // Nature Photonics. – 2008. – Vol. 2. – P. 226-229. – DOI: 10.1038/nphoton.2008.30.
  26. Li, M. Photon-level tuning of photonic nanocavities / M. Li, H. Liang, R. Luo, Y. He, J. Ling, Q. Lin // Optica. – 2019. – Vol. 6, Issue 7. – P. 860-863. – DOI: 10.1364/OPTICA.6.000860.
  27. Blasco, E. 3D printing enabled by light and enabling the manipulation of light: feature issue introduction / E. Blasco, S. Maruo, X. Xu, M. Wegener // Optical Materials Express. – 2020. – Vol. 10, Issue 12. – P. 3414-3416. – DOI: 10.1364/OME.415864.
  28. Berglund, G.D. Fabrication of optical components using a consumer-grade lithographic printer / G.D. Berglund, T.S. Tkaczyk // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 21. – P. 30405-30420. – DOI: 10.1364/OE.27.030405.
  29. Dietrich, P.-I. In situ 3D nanoprinting of free-form coupling elements for hybrid photonic integration / P.-I. Dietrich, M. Blaicher, I. Reuter, M. Billah, T. Hoose, A. Hofmann, C. Caer, R. Dangel, B. Offrein, U. Troppenz, M. Moehrle, W. Freude, C. Koos // Nature Photonics. – 2018. – Vol. 12. – P. 241-247. – DOI: 10.1038/s41566-018-0133-4.
  30. Castro-Camus, E. Additive manufacture of photonic components for the terahertz band / E. Castro-Camus, M. Koch, A.I. Hernandez-Serrano // Journal of Applied Physics. – 2020. – Vol. 127, Issue 21. – 210901. – DOI: 10.1063/1.5140270.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20