궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM)을 담는 광학 와류빔(optical vortex beams, OVBs)은 무한한 집합의 직교 상태에 대한 접근을 제공하여 광통신 시스템에서 정보 용량을 극적으로 증가시킬 수 있다. 그러나 통신 플랫폼에서 실제적인 OAM 검출은 배경 잡음, 적외선 통신 파장에서의 검출기 한계, 그리고 기존 샘플링 방법의 파괴적 특성으로 인해 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 여기에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 OAM에 관한 정보를 구별되는 주파수 영역으로 전이시키는, 합주파 생성(sum-frequency generation, SFG)에 기반한 전(全)광학적이며 거의 비파괴적인 OAM 검출 방법을 제시한다. 우리의 설계에서는 OAM-부호화 정보를 운반하는 하나의 OVB와 기준으로 동작하는 또 하나의 OVB를 베타-바륨 보레이트(beta-barium borate, BBO) 결정 내에서 결합하여 SFG 신호를 생성한다. 이론적 및 실험적 연구를 통해 SFG 효율이 상호작용하는 와류 프로파일의 공간적 중첩에 의해 지배되며, 모드 선택적이고 OAM이 해상된 검출이 가능함을 보여준다. 특히, 입력 광자가 비선형 신호로의 전이에 일부만 관여하므로 원래의 빔은 기능적으로 온전함을 유지한다. 또한 검출은 스펙트럼적으로 구별되는 가시 파장 영역에서 업컨버전된 신호에 대해서만 수행되므로 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 더 나아가 SFG 신호는 특정 OAM 상태와 시간적 중첩 조건이 동시에 충족될 때만 생성되어, OAM 정보에 대한 초고속의 조건부 게이팅 접근이 가능하다. 이러한 비선형 선택성은 향상된 물리계층 보안과 높은 처리량을 제공한다. 종합하면, 본 접근법은 OAM 기반 고급 광통신 및 고용량 포토닉스 응용을 위한 견고하고 다목적의 플랫폼을 제공한다.

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