Моделирование процессов формирования и распространения оптических вихревых пучков, излучаемых микрокольцевыми резонаторами

Багманов В.Х., Бакирова Л.И., Воронков Г.С., Любопытов В.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Багманов В.Х., Бакирова Л.И., Воронков Г.С., Любопытов В.С. Моделирование процессов формирования и распространения оптических вихревых пучков, излучаемых микрокольцевыми резонаторами // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-3-12

Ссылка на англоязычную версию:

Valery Kh. Bagmanov, Liaisan I. Bakirova, Grigoriy S. Voronkov, and Vladimir S. Lyubopytov, "Modeling of the forming and propagation of optical vortex beams emitted by microring resonators," Journal of Optical Technology. 92(7), 415-421 (2025). https://doi.org/10.1364/JOT.92.000415

Аннотация:

Предмет исследования. Микрокольцевые резонаторы с излучающей дифракционной решеткой, образованной периодическими отверстиями. Цель работы. Разработка математических моделей генерирования и пространственного распределения излучения оптических вихревых пучков, переносящих орбитальный угловой момент, микрокольцевыми резонаторами. Метод. Процесс излучения оптического пучка микрокольцевым резонатором описывается в рамках общей теории рассеяния электромагнитных волн неоднородностями диэлектрической проницаемости в приближении Рэлея. Процесс формирования оптических вихревых пучков рассматривается в рамках векторного варианта представления электромагнитных полей на основе интегральной теоремы Кирхгофа–Гельмгольца. Численное моделирование осуществлялось в среде Ansys Lumerical. Основные результаты. Получены аналитические выражения, позволяющие определить пространственное распределение электрического поля и плотности потока энергии, излучаемой микрокольцевым резонатором, в зависимости от конфигурации резонатора и параметров периодических отверстий на его поверхности и область максимальной плотности потока энергии в зависимости от топологического заряда оптического вихревого пучка, формируемого резонатором. Для проверки и подтверждения адекватности второй части математической модели дополнительно было проведено численное моделирование в среде Ansys Lumerical. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы для повышения эффективности и оптимизации каналов связи в перспективных информационных оптических технологиях.

Ключевые слова:

оптический вихревой пучок, микрокольцевой резонатор, орбитальный угловой момент, дифракция

Благодарность:

исследование выполнено в рамках работ по государственному заданию Минобрнауки России для УУНиТ (соглашение № 075-03-2024-123/1 от 15.02.2024 г.) в молодежной научно-исследовательской лаборатории Евразийского НОЦ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники».

Коды OCIS: 050.4865, 30.3120, 260.6042

Список источников:

1. Порфирьев А.П., Кучмижак А.А., Гурбатов С.О. и др. Фазовые сингулярности и оптические вихри в фотонике // УФН. 2022. Т. 192. № 08. С. 841–866. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.07.039028
Porfirev A.P., Kuchmizhak A.A., Gurbatov S.O., et al. Phase singularities and optical vortices in photonics // Phys. Usp. 2022. V. 65. № 8. P. 789–811. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.07.039028
2. Zhang H., Zeng J., Lu X., et al. Review on fractional vortex beam // Nanophotonics. 2022. V. 11. № 2. P. 241–273. https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0616
3. Shen Y., Wang X., Xie Z., et al. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light: Sci. & Applications. 2019. V. 8. № 1. P. 90. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2
4. Головашкин Д.Л., Досколович Л.Л., Казанский Н.Л. и др. Дифракционная компьютерная оптика / Под ред. Сойфера В.А. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 736 с.
Golovashkin D.L., Doskolovich L.L., Kazansky N.L., et al. Diffraction computer optics [in Russian] / Ed. Soifer V.A. Moscow: FIZMATLIT Publ., 2007. 736 p.
5. Осинцева Н.Д., Герасимов В.В., Чопорова Ю.Ю. и др. Идентификация эрмит-гауссовых и бесселевых мод терагерцового пучка с помощью дифракционных оптических элементов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 3–15. https://orcid.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-3-15
Osintseva N.D., Gerasimov V.V., Choporova Yu.Yu., et al. Identification of Hermite–Gaussian and Bessel modes of terahertz beam with diffractive optical elements // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 4. P. 215. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000215
6. Хорин П.А., Хонина С.Н. Влияние отклонений 3D формы спиральной микроструктуры на свойства формируемого вихревого пучка в ближней зоне дифракции // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 19–28. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28
Khorin P.A. and Khonina S.N. Influence of 3D helical microstructure shape deviations on the properties of a vortex beam generated in the near diffraction zone // J. Opt. Technol. 2023. V. 90. № 5. P. 236–241. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000236
7. Kazanskiy N.L., Khonina S.N., Karpeev S.V., et al. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams // Quant. Electron. 2020. V. 50. № 7. P. 629–635. https://doi.org/10.1070/QEL17276
8. Kotlyar V.V., Elfstrom H., Turunen J., et al. Generation of phase singularity through diffracting a plane or Gaussian beam by a spiral phase plate // JOSA. A. 2005. V. 22. № 5. P. 849. https://doi.org/10.1364/JOSAA.22.000849

9. Weng Y., Pan Z. Orbital angular momentum based sensing and their applications: A review // J. Lightwave Technol. 2022. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3202184
10. Cai X., Wang J., Strain M.J., et al. Integrated compact optical vortex beam emitters // Science. 2012. V. 338. № 6105. P. 363–366. https://doi.org/10.1126/science.1226528
11. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах / пер. с англ. Апресяна Л.А. и др. М.: изд. Мир, 1981. Т. 1. Однократное рассеяние и теория переноса. 280 с.
Ishimaru A.Wave propagation and scattering in random media. V. 1. Single scattering and transportation. 1st ed. New York, San Francisco, London: Academic Press, 1978. 272 p.
12. Ландау Л.Д. Электродинамика сплошных сред / Теоретическая физика: учеб. пособ. для вузов. Т. VIII. 4-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 656 с.
Landau L.D. Electrodynamics of continuous media [in Russian] / Theoretical Physics: Textbook. Manual: for Universities. V. VIII. 4th ed. Moscow: FIZMATLIT Publ., 2005. 656 p.
13. Коренев Б.Г. Введение в теорию бесселевых функций / Под ред. Главной редакции физико-математической литературы. М.: Наука, 1971. 288 с.
Korenev B.G. Introduction to the theory of Bessel functions [in Russian] // Ed. The Main Editorial Office of the Physical and Mathematical Literature. Moscow: "Nauka" Publ., 1971. 288 p.
14. Li R., Feng X., Zhang D., et al. Radially polarized orbital angular momentum beam emitter based on shallow-ridge silicon microring cavity // IEEE Photonics. 2014. V. 6. № 3. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2014.2321757
15. Zhang J., Sun C., Xiong B., et al. An InP-based vortex beam emitter with monolithically integrated laser // Nature Commun. 2018. V. 9. № 1. P. 2652. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05170-z
16. Bakirova L.I., Voronkov G.S., Lyubopytov V.S., et al. Micro-ring resonator-based tunable vortex beam emitter // Micromachines. 2023. V. 15. № 1. P. 34. https://doi.org/10.3390/mi15010034