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

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:

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