光学メタサーフェスを用いた空間・偏波ビーム多重器を実証~任意の直交ベクトルモード基底の変換を実現~

2025-08-26 東京大学

東京大学の研究チームは、光学メタサーフェスを用いた小型多入力多出力ベクトルビーム変換器を実証しました。従来は複数の光学素子を組み合わせる必要があった空間モードや偏波モードの多重化・分離を、厚さ0.6mm・面積0.2mm²の小型素子で実現。メタサーフェスと金反射膜を組み合わせ、光を3回反射させることで、6本の入力光を直交する空間・偏波モードに変換し多重化出力できることを示しました。この成果は、光ファイバ通信の大容量化に不可欠な空間分割多重通信や、自由空間光通信、偏波依存ホログラフィックイメージングなどへの応用が期待されます。新規設計アルゴリズム「ジョーンズ行列随伴法」により、任意の多入力多出力ベクトルビーム変換デバイスの設計が可能であることも示されました。成果は『Nature Communications』に掲載。

光学メタサーフェスを用いた空間・偏波ビーム多重器を実証~任意の直交ベクトルモード基底の変換を実現~
多層メタサーフェスを用いた多入力多出力ベクトルビーム変換器の模式図

<関連情報>

多層メタサーフェスを用いた完全なベクトル光学モードコンバーター Complete vectorial optical mode converter using multi-layer metasurface

Go Soma,Kento Komatsu,Yoshiaki Nakano & Takuo Tanemura
Nature Communications  Published:25 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-62401-w

Abstract

Vectorial optical mode converters that can transform orthogonal sets of multiple input vector beams into other orthogonal sets are attractive for various applications in optics and photonics. While multi-plane light conversion (MPLC) and metasurface technologies have been explored to individually address multiple spatial mode conversion and polarization mode manipulation, there has been no universal methodology to simultaneously convert a set of multiple vectorial modes with spatially non-uniform wavefronts and polarizations. Here, we present a general device framework to achieve complete vectorial mode conversion based on the MPLC concept incorporating multi-layer metasurfaces. The effectiveness of our method is confirmed experimentally by demonstrating 6-mode (3 spatial modes × 2 polarization modes) multiplexer fabricated on a compact chip. Additionally, we apply it to design devices with more advanced functionalities: a mode-division-multiplexed dual-polarization coherent receiver and spatial-mode-multiplexed vectorial holography. The versatility of our protocol makes it a powerful tool for realizing universal optical mode converters.

0403電子応用
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