Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

SUPERSYMMETRY APPROACH FOR DESCRIBING OPTICAL VORTEX GENERATION IN FIBERS

O.V. Angelsky and S.P. Shchukin

Author Information
O.V. Angelsky ORCID logo SCOPUS logo, S.P. Shchukin
Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Department of Correlation Optics, 2 Kotsiubynskoho Str., Chernivtsi, 58012, Ukraine
*Corresponding author: shchukin.serhii@chnu.edu.ua

ABSTRACT

Optical vortices, characterized by a helical phase structure and the presence of orbital angular momentum, can be generated in optical fibers through the superposition of specific linearly polarized modes. This work investigates the formation of such vortex modes in fibers with a parabolic refractive index profile. By transforming the scalar wave equation into a form analogous to the Schrödinger equation, we apply methods from supersymmetric quantum mechanics to design refractive index profiles that support degenerate eigenmodes. These degenerate modes share identical propagation constants, enabling stable vortex generation. The study demonstrates that supersymmetric transformations provide a systematic approach for selecting and coupling modes capable of carrying orbital angular momentum, offering new possibilities for advanced light control in fiber-based optical systems.

Keywords: optical fiber, optical vortices, linearly polarised modes, supersymmetry

UDC: 621.382.3:535.14:530.145

    1. Allen, L., Barnett, S. M., & Padgett, M. J. (2016). Optical angular momentum. CRC press.
      doi:10.1201/9781482269017
    2. Fu, S., & Gao, C. (2023). Optical vortex beams. Springer.
      doi:10.1007/978-981-99-1810-2
    3. Ma, M., Lian, Y., Wang, Y., & Lu, Z. (2021). Generation, transmission and application of orbital angular momentum in optical fiber: A review. Frontiers in Physics, 9, 773505.
      doi:10.3389/fphy.2021.773505
    4. Ramachandran, S., & Kristensen, P. (2013). Optical vortices in fiber. Nanophotonics, 2(5-6), 455-474.
      doi:10.1515/nanoph-2013-0047
    5. Longhi, S. (2015). Supersymmetric transparent optical intersections. Optics Letters, 40(4), 463-466.
      doi:10.1364/OL.40.000463
    6. Miri, M. A., Heinrich, M., & Christodoulides, D. N. (2013). Supersymmetry-generated complex optical potentials with real spectra. Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics, 87(4), 043819.
      doi:10.1103/PhysRevA.87.043819
    7. Miri, M. A., Heinrich, M., El-Ganainy, R., & Christodoulides, D. N. (2013). Supersymmetric optical structures. Physical Review Letters, 110(23), 233902.
      doi:10.1103/PhysRevLett.110.233902
    8. Macho, A., Llorente, R., & García-Meca, C. (2018). Supersymmetric transformations in optical fibers. Physical Review Applied, 9(1), 014024.
      doi:10.1103/PhysRevApplied.9.014024
    9. Black, R. J., & Ankiewicz, A. (1985). Fiber‐optic analogies with mechanics. American Journal of Physics, 53(6), 554-563.
      doi:10.1119/1.14237
    10. Snyder, A. W., & Love, J. D. (1983). Optical waveguide theory (Vol. 175). London: Chapman and hall.
    11. Cooper, F., Khare, A., & Sukhatme, U. (1995). Supersymmetry and quantum mechanics. Physics Reports, 251(5-6), 267-385.
      doi:10.1016/0370-1573(94)00080-M
    12. Desai, B. R. (2010). Quantum mechanics with basic field theory. Cambridge University Press.
      doi:10.1017/CBO9780511813979

    Оптичні вихори, що характеризуються спіральною фазовою структурою та наявністю орбітального кутового моменту, можуть бути згенеровані в оптичних волокнах шляхом суперпозиції специфічних лінійно поляризованих мод. У цій роботі досліджується формування таких вихрових мод у волокнах з параболічним профілем показника заломлення. Перетворюючи скалярне хвильове рівняння у форму, аналогічну рівнянню Шредінгера, ми застосовуємо методи суперсиметричної квантової механіки для розробки профілів показника заломлення, які підтримують вироджені власні моди. Ці вироджені моди мають однакові константи поширення, що забезпечує стабільну генерацію вихорів. Дослідження демонструє, що суперсиметричні перетворення забезпечують системний підхід до вибору та зв'язку мод, здатних переносити орбітальний кутовий момент, пропонуючи нові можливості для вдосконаленого керування світлом у волоконно-оптичних системах.

    Ключові слова: оптичне волокно, оптичні вихори, лінійно-поляризовані моди, суперсиметрія

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0