OAM軌道角動量調(diào)制剖析

1、oam軌道角動量介紹內(nèi)容提要：1 oam軌道角動量研究背景1.1 0 am的基本概念1.2 oam的特性2基于oam的信息傳輸系統(tǒng)2.1 oam鍵控2.2 oam復(fù)用2.3 產(chǎn)生方式2.4 應(yīng)用實例3 oam在無線通信中的應(yīng)用3.1 研究現(xiàn)狀3.2 基本原理3.3 產(chǎn)生方式3.4 電磁渦旋波的復(fù)用loam軌道角動量研究背景自1992年光的軌道角動量（oam）由allen等人提出以來，就受到 人們的廣泛關(guān)注，尤其在發(fā)現(xiàn)可以通過對oam進(jìn)行調(diào)制來傳遞信息 之后，利用。am進(jìn)行fso（自由空間光通信，free-space optical communication）通信掀起了世界性的研究熱潮。傳統(tǒng)的

2、調(diào)制技術(shù)，使用頻率、時間、碼型和空間等資源作為自由度, 而oam調(diào)制技術(shù)將載波攜帶的oam模式作為調(diào)制參數(shù)。利用oam模 式內(nèi)在的正交性，將多路信號調(diào)制在不同的oam模式上，根據(jù)模式 的不同區(qū)分不同的信道。由于具有oam的螺旋波束可以構(gòu)成無窮維 的希爾伯特空間，因此理論上同一載頻利用oam復(fù)用可獲得無窮的 傳輸能力。0am復(fù)用的頻譜利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于lte、802.11n和dvb-t通信類型oamlte802.11ntvb-t頻譜利用率95.5bit.1632b 22.4bit-0.55bit-shz1s4-hz1s4-hz4shr1傳輸速率2.56326.4144.431.668tbit- s1

3、mbit- s4mbit- s4mbit- s11.1 o am的基本概念近年來的研究表明，光束具有兩種角動量，一種是由于光束的偏振特性產(chǎn) 生的角動量，另一種是由于光束具有螺旋相位結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的軌道角動量。1936年beth使圓偏振光通過一個用石英光纖懸掛的半波帶板，首先觀察 到了由于光束圓偏振特性引起的角動量，并通過精確測量光纖的扭矩發(fā)現(xiàn)此 角動量與量子自旋有關(guān)。近年來發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光束含有角相關(guān)的相位分布(扭轉(zhuǎn)相位或螺旋相位)時， 此類光束具有與角向相位分布有關(guān)的角動量，被稱為軌道角動量，攜帶軌道 角動量的光束被稱為“光學(xué)渦旋” (optical vortices)，它是一類具有螺旋 相位波前或相

4、位奇點的特殊光場，其相位分布函數(shù)中常含有與旋轉(zhuǎn)方短角 成正比的型(9) / ,通常是整數(shù)，又被稱作光學(xué)渦旋的拓?fù)浜?topological charge,fswtc)。1.1oam的基本概念當(dāng)光束的場強(qiáng)函數(shù)含有與空間方位角有關(guān)的相位因子e時，每個光子具有值為質(zhì)的軌道角動星。軌道角動量：由于光束具有螺旋形相位結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的角動量。空間方位角： 0 = arctan(y/x)=arctan(z/r)本征態(tài)：其值為不(/為本征值)用以衡量和區(qū)分。am的不同模態(tài)。拓?fù)浜桑罕硎纠@光束閉合回路一周線積分為2整數(shù)倍的個數(shù)，直觀 上為光束沿軸向傳播一個波長時其螺旋波前旋轉(zhuǎn)2的次數(shù)。其值用i12 0am的特性a.

5、正交性。不同模態(tài)的oam光束相互正交，可將一組不同模態(tài)的oam 光束作為信號調(diào)制的正交基。例如：j um (r,z) u (r,2 z) rdrdg = 也產(chǎn)0am的正交性使得對于多模態(tài)的0am復(fù)用系統(tǒng)，理論上在接收端可 以通過一組濾波器對不同模態(tài)的oam光束進(jìn)行完美分離和檢測。b.安全性。利用oam承載信息具有很好的安全性。這種安全性歸功于 oam的拓?fù)浜珊头轿唤侵g的不確定關(guān)系。= 11 27rp(兀)ic.多維量子綱纏。2001年mair等人在自發(fā)參數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子對中， 觀察到oam糾纏態(tài)，揭示了oam的量子本質(zhì)。相對于傳統(tǒng)的“0” bit的二維糾纏，oam的本征態(tài)的數(shù)目無限，可以實現(xiàn)

6、任意維度 的糾纏。2基于oam的傳輸系統(tǒng)oam作為一個新的自由度，已成為fso系統(tǒng)中調(diào)制編碼的新方法。am編碼即孜計信息比特與oam態(tài)之間的映射方式o目前。am在 fso系統(tǒng)中旅用機(jī)制主要有兩種：oam鍵控(oam-sk)和oam復(fù)用(oamdm) oo am鍵控：保持光源不變，通過動態(tài)器件(如slm)改變oam的狀態(tài)，信息被 編碼加載到ov光束的oam狀態(tài)上，類似于數(shù)字通信中的鍵控調(diào)制ooam復(fù)用：oam狀態(tài)是固定的，ov光束用做信息的載體，全息圖保持靜止而 多個光源通過調(diào)制加載數(shù)據(jù)o2.1 oam鍵控理論上ov光束有無限個本征態(tài)，對應(yīng)無限個拓?fù)浜芍担虼耍?oam代表的比特數(shù)也沒有上限。對

7、于這種方法，保持光源不變，通 過動態(tài)器件（如slm）,信息被編碼加載到ov光束的oam狀態(tài)。如 oam的每個本征態(tài)可代表編碼信號000,001,010,011,100,101,110,111 中的一個。進(jìn)一步,當(dāng)oam的n個本征態(tài)用于通信時，每個態(tài)代表log、n 個比特的信號。conunualmngle beam illumination基于連續(xù)單激光器和動態(tài)全息圖的oam-skoutput o vbeam ( k )優(yōu)點：系統(tǒng)簡單光源數(shù)量少可任意改變拓寺響缺點：空間光調(diào)制器的刷新頻率較低2.2 oam復(fù)用這種方法通過調(diào)制光源陣列，然后再通過空間光調(diào)制器，將其轉(zhuǎn) 換為攜帶軌道角動量的螺旋光束，

8、這樣就將信息加載到具有不同軌道 角動量的光束中?；跁r間變化的入射和靜態(tài)全息圖的oam-dm優(yōu)點：高比特率高光譜效率低誤碼率缺點：系統(tǒng)復(fù)雜成本高2.3 產(chǎn)生方式圖1高斯光束通過螺旋位相片可以產(chǎn)生具有 螺旋位相的光學(xué)旋渦激光諧振腔螺旋位相片全息圖柱面鏡模式轉(zhuǎn)換器2.4 應(yīng)用實例接下來用兩個實際系統(tǒng)模型：基于單光束動態(tài)全息圖的oam-sk和 基于多光束靜態(tài)全息圖的。amdm來講解上面的兩種原理。基于oam-sk的傳輸實例調(diào)制原理：由單個高斯光束使用空間光調(diào)制器而產(chǎn)生不同拓?fù)浜蓽u旋光束疊加 而形成混合渦旋光束，其形式為：u = 四/，,以此作為信息載體。 式中疊加的光束數(shù)m、拓?fù)浜?、幅值為和權(quán)重系

9、數(shù)都編碼為計 算機(jī)產(chǎn)生全息圖的結(jié)構(gòu)被發(fā)送到空間光調(diào)制器顯示。下圖中數(shù)據(jù)被寫入計算機(jī)產(chǎn)生全息圖送到slm,激光照射slm,傳 輸場的空間譜出現(xiàn)在傅里葉透鏡的后焦平面，經(jīng)濾波后分離出+t衍射 級，則入射的高斯光束轉(zhuǎn)化為攜帶被編碼數(shù)據(jù)的混合渦旋光束。p-z vortex field基于0 am-dm的傳輸實例光束軌道角動量調(diào)制原理圖（8）(d)基于。am-dm的傳輸實例由8個光源組成的光源陣列實現(xiàn)的8位數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。光束經(jīng)g、g的透鏡系統(tǒng)將其間距拉近經(jīng)乙3匯聚到位于其焦平面的 slm后，成為渦旋光束，再經(jīng)光闌h將中心衍射光束濾出經(jīng)人發(fā)射出解調(diào)原理：其原理為：根據(jù)不同。am光束的正交性，若入射光束的角

10、量子數(shù)i 與二元振幅光柵的中心位錯數(shù)，o匹配，則在某一特定的衍射級將得到 角量子數(shù)為零的光束，此時該衍射級呈現(xiàn)為一個亮斑，在檢測軌道角 動量時能夠時能夠根據(jù)亮點出現(xiàn)的位置反推出入射光束的軌道角動量 態(tài)。利用一亓揖幅中楣洌i借%束劭酒髭加索的原理圖(0000,0010)（c）(0100,0000)(a)+1(0000,1010)(0100,0010)部分實驗結(jié)果部分測量結(jié)果如下圖所示:(0000.1000)(b)3 0am在無線通信中的應(yīng)用目前，移動通信系統(tǒng)容量以及頻譜效率已經(jīng)接近香農(nóng)極限，為了 進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量以及頻譜效率，滿足未來移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求需要 探索革命性創(chuàng)新技術(shù)。近年來，軌道角動量

11、技術(shù)的研究倍受關(guān)注。由于良好的正交性， 使其可以在同一載頻上傳輸多路電磁渦旋波，因此軌道角動量技術(shù)在 無線通信中的應(yīng)用逐漸成為研究的熱點。3.1 研究現(xiàn)狀2007年，thide等人分析了由偶極子組成的圓環(huán)形天線陣，認(rèn)為 lg螺旋光束理論和物理性質(zhì)可以推廣到低頻情形。2011年，taburini等人采用螺旋拋物面天線在2.4ghz載頻上實現(xiàn) 了 |=0和1=1兩個模式oam信道442m的無線傳輸。3.2 基本原理產(chǎn)生機(jī)理：在攜帶數(shù)據(jù)信息的正常電磁波上添加一個與空間方位角0相關(guān)的 旋轉(zhuǎn)相位因子e8將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶艤u旋波，可以表示為：u (r, 0) = a(r)x ell其中a”)表示正常電磁波的幅

12、度值，廠表示到波束中心的軸線的輻 射距離，0為方位角，/為軌道角動量的本征值。傳輸機(jī)理：利用不同本征值的電磁渦旋波是相互正交的。可以在同一帶寬內(nèi)并 行傳輸多路電磁渦旋波，理論上講，相互不會產(chǎn)生干擾。3.3 產(chǎn)生方式目前，在無線電頻段生成oam無線電波的方法有兩種手段:螺旋拋物面天線：通過調(diào)整拋物面開口兩端的間距產(chǎn)生任意模式的oam模式波 明顯缺陷：一種幾何結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生一種電磁渦旋波。相控陣天線陣列：相控天線陣只需改變天線的電流相位即可產(chǎn)生不同的。am波束, 非常方便。螺旋拋物面天線如圖所示，反射器上的開口引入波程差，因此改變了反射波的相位 結(jié)構(gòu)。理論上，通過調(diào)整開口兩端之間的高度差可以產(chǎn)生任意

13、模式的oam 電波。模式數(shù)/與高度差萬關(guān)系為：=必相控陣天線以圓環(huán)形陣列天線為例來講解。多個相似天線單元組成典型圓環(huán)形天線陣，其陣因子是：n1 _/ekasincos(e-%)+q=1當(dāng)nfg,上式可寫為： = km9(kasinq).其中叫=和 h %分別是依賴于參考天線和天線電流關(guān)系的常數(shù)。若激勵源 電流相住滿足：4=/必。=6,則“，%& = / ,相位因子 轉(zhuǎn)化為e ,含有螺旋相位項一7。這樣通過控制陣元激勵的相位， 可以有效地生成具有oam的螺旋波束。o(b) 圖2-8圓環(huán)形天線陣示意,00有限個陣元；(b)無窮個陣元岬3.4電磁渦旋波的復(fù)用利用拓?fù)浜刹煌能壍澜莿恿康恼恍?，可以?/p>

14、現(xiàn)同頻上傳輸多路 電磁渦旋信號。2012年，wang等實現(xiàn)了 1.37tbps的oam-dm自由空間光通信。圖中將4路數(shù)據(jù)調(diào)制在同一載頻上，形成4路正常電磁波信號，再通 過相位旋轉(zhuǎn)將其轉(zhuǎn)換4路電磁渦旋波，這樣多路信號就可以合并后進(jìn) 行發(fā)送。同時也可以引入其他的復(fù)用方式，如引入旋轉(zhuǎn)角動量配合使用，這 樣在同一頻點上，利用4個極化復(fù)用的oam信號可以傳輸8路獨立的 信息。2013年，huang等人實現(xiàn)了32路獨立的20 gb/s 16進(jìn)制正交振 幅調(diào)制(qam, quadrature amplitude modulation)數(shù)據(jù)流的 oam 復(fù)用傳輸，達(dá)到2.56 tbit/s高速數(shù)據(jù)通信，而誤

15、碼率小于2 x 10 - 3軌道角動量復(fù)用及解復(fù)用工作原理圖對oam適用性的討論它在無線通信技術(shù)方面的適用性遭到了 tamagnone等的質(zhì)疑：oam波束是中空的，中間區(qū)域場強(qiáng)很弱，且隨著傳播距離的增加, 中空部分會變得更大，導(dǎo)致接收天線不能識別該信號。tamburini等貝ij回應(yīng)：oam信道取決于載波的相位結(jié)構(gòu)，而相位結(jié)構(gòu)與傳播距離無關(guān), 因此oam信道和時分、碼分等一樣可應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。在無線通信應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)目前，人們對軌道角動量的研究主要集中在光學(xué)領(lǐng)域，在無線通信 領(lǐng)域的研究還處于初始階段，仍然面臨著很多問題與挑戰(zhàn)：(1)如何產(chǎn)生不同本征值的電磁渦旋波(2)如何降低傳輸環(huán)境對電磁渦旋波的影響大氣擾動引起衰減和串?dāng)_及湍流的影響。目前自適應(yīng)光學(xué)、fec可以有效陲ber。(3)如何對大量的電磁渦旋波狀態(tài)進(jìn)行有效的分離與檢測補(bǔ)充lg模有2個特征量子數(shù)/和八其中/=0.1 .士2,表示繞奇異點的相位梯度的一周線積分值 為2力的整數(shù)倍少=0 j.2,.+1表示徑