Tangi Le Guennic - 17 avril 2020

Qu’est-ce qu’une onde à OAM et quelles sont ses propriétés ?

Orbital Angular Momentum

Les OAM sont le sujet de nombreux travaux de recherche actuellement. Portés aux nues par leurs adeptes, ils offrent sur le papier le pouvoir de démultiplier la bande passante de nos réseaux de communications modernes. Leur forme si particulière leur permettrait de coder de l’information sous une nouvelle forme, voire un nouveau mode quantique de propagation de l'information. Mais qu’est-ce qu’une onde à OAM ? Quelle est la propriété qui leur confère ces caractéristiques incroyables ? C’est à toute ces questions que nous tenterons de répondre dans cet article qui traite exclusivement la problématique des OAM dans le domaine optique.

 

Représentation d’une OAM

Avant toute chose, pour pouvoir se représenter physiquement en optique une onde à OAM, il faut revenir au fondement de ce qu’est la lumière. Le but n’est pas d’aborder avec précision toutes ces propriétés et son comportement. Cependant, tâchons de résumer de façon la plus succincte possible les caractéristiques qui nous intéresse.

La lumière peut être décrite comme une onde électromagnétique constituée de particules de masse nulle, les photons. On parle alors de dualité onde-particule. Le modèle ondulatoire de la lumière fait que son champ électrique E oscille perpendiculairement par rapport à sa direction.

La polarisation de la lumière décrit les directions du champ électrique (ou magnétique), au cours du temps se propageant le long d’un rayon lumineux. Elle peut -être par exemple linéaire ou circulaire voir elliptique. Lorsque ce champ est polarisé circulairement, le vecteur de champ électrique E peut tourner dans le plan perpendiculaire à ce rayon selon deux sens, horaires et anti-horaires.

Polarisation circulaire
Polarisation circulaire (Source : Wikipédia)

 

Pour se représenter ce qu’est le moment angulaire orbitale (OAM), gardons à l’esprit la propagation d’une onde polarisée circulairement.

 

Qu’est-ce que le Moment Angulaire Orbital ?

En optique quantique, on peut voir ce mouvement de charge électrique comme étant le moment cinétique des photons de l’onde de lumière à une fréquence donnée. On parle alors de spin ou moment angulaire de spin. C’est le mouvement de rotation propre que peut avoir un photon. (Light Spin Angular Momentum - SAM). Le vecteur du spin correspond aux deux états de la polarisation circulaire.

Cependant, il existe une autre façon pour une onde électromagnétique de transporter du moment cinétique : c’est le moment angulaire orbital. Cela correspond à la rotation du photon autour d’un axe extérieur à lui-même.

Représentation de modes OAM (SAM interaction - OAM interaction)

Représentation de modes OAM (Crédit : E. Karimi/Wikipedia)

L’analogie la plus célèbre est celle de la terre en orbite autour du soleil. Le mouvement de la Terre en rotation peut être appelé son spin, comme pour un photon, alors que le mouvement de révolution de la Terre autour du Soleil lui confère un moment angulaire orbital.

Moment orbital angulaire de la Terre
 

Une composante supplémentaire apparaît dans l’écriture d’une solution de l’équation de propagation. Il s’agit un terme variant e-jl𝜽 avec l étant la charge topologique de l’onde ou ordre ou index azimutal, ou encore index de roulis, et 𝜽 l’angle de roulis.e-jl𝜽

Dans le cas de l’exemple ci-dessus d’une polarisation circulaire, l’ensemble des photons du faisceau tourne autour d’un axe unique qui devient l’axe du faisceau. Le moment orbital angulaire peut être imaginé sous la forme d’un front d’onde en hélice dont le nombre d’hélice l, (ou charge topologique) n’a pas de limite. On parle alors d’onde à OAM (OAM – Orbital Angular Momentum).(1)

Propriété d’une OAM

Une OAM possède donc une grandeur quantifiée, son nombre d’hélice. La structure de l’OAM fait qu’elle peut être utilisée pour le codage d’information en considérant chaque valeur de nombre d’hélice l comme un bit d’information.

Représentation de modes OAM

Représentation de modes OAM (Crédit : E. Karimi/Wikipedia)

De nombreux développement sont en cours dans le but d’échanger de l’information en générant ces ondes dites « ondes twistées ou faisceau vortex » à OAM avec des fibres optiques ou dans l’atmosphère. Les ondes à OAM pourraient constituer une grandeur supplémentaire pour transporter davantage d’informations dans les réseaux de télécommunications futures(2). En particulier, on peut imaginer la possibilité de faire du multiplexage spatial d’onde à OAM (SDM – Space division Multiplexing) dans des fibres à cœur annulaire (ring core fiber).(3) 

Dans un prochain article, vous découvrirez quelles sont les techniques possibles pour générer ces ondes à OAM. L’une de ces solutions est le multiplexeur spatial PROTEUS de Cailabs, la seule solution commerciale aujourd’hui qui propose du multiplexage spatial de modes OAM.

Pour plus d’informations, vous pouvez nous contacter ici.

 

Voir le replay de notre webinar (en anglais)
sur la génération d'OAM
 

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(1) The Royal Society Publishing - "Light's twist". Lire l'article
 

(2) Science Mag -"Terabit-Scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers". Lire l'article

(3) "13.4km OAM state propagation by recirculating fiber loop" - Patrick Gregg, Poul Kristensen, and Siddharth Ramachandran. Lire l'article

Par Tangi Le Guennic

Tangi Le Guennic, who holds Master’s degrees in materials science and optics, is a project and product manager at Cailabs. Tangi has a strong experience in R&D in developing optical sensors for aircraft systems as well as in industrial vision project management. At Cailabs, he works on the development and commercialization of innovative optical solutions for PROTEUS and custom applications (defense, aeronautics, automotive, biomedical...).

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...).