軌道角動(dòng)量通信
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
軌道角動(dòng)量通信的實(shí)例教程
專家針對電磁波的傳播原理入手，于是軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum, OAM）通信技術(shù)被提了出來。
圖源 | 通信學(xué)報(bào)《軌道角動(dòng)量通信技術(shù)的研究》論文
由于5G電磁波的傳播范圍較短，因此需要更大功率的信號發(fā)射裝置。5G基站應(yīng)用了相控陣技術(shù)，通過調(diào)整不同天線發(fā)射的電磁波參數(shù)，讓不同波形相互干涉制造能量更大的波峰，以此提升信號傳播范圍。6G新技術(shù)也利用了電磁波相互干涉的原理，只不過這次的目的主要是復(fù)用空間，而不是加強(qiáng)傳播距離。
這里放一段《渦旋電磁波軌道角動(dòng)量傳輸技術(shù)》（《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》2022年1月13日 謝翔東，何耀宇，張超）論文中關(guān)于軌道角動(dòng)量（OAM）的解釋：OAM是電磁波的固有物理屬性，OAM的物理量綱（ML2T-1）和電場強(qiáng)度的物理量綱（MLT-3I-1）線性無關(guān)（其中M為質(zhì)量，L為長度，T為溫度，I為電流），所以彼此獨(dú)立。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論均指出，電磁波角動(dòng)量包括自旋角動(dòng)量（SAM）和軌道角動(dòng)量（OAM）。自旋角動(dòng)量表征了電磁波極化，OAM則表征了電磁波的波包在空間中的旋轉(zhuǎn)特性。具有OAM的電磁波又被稱為渦旋電磁波，攜帶不同OAM模態(tài)的渦旋電磁波具備正交特性，利用該特性進(jìn)行無線傳輸可以極大地提升頻譜效率和傳輸容量。
好了，我們直接跳過這段，來簡單理解一下。
軌道角動(dòng)量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，可以理解為在往前走的時(shí)候還自轉(zhuǎn)，軌道角動(dòng)量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動(dòng)量。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。因此，在正常的電磁波中添加相位旋轉(zhuǎn)因子，電磁波就不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋的相位結(jié)構(gòu)。
展開 隨著射頻通信技術(shù)的發(fā)展，這些年來，科研人員在無線通信領(lǐng)域取得了很多的突破，射頻技術(shù)在里面大放異彩。無線通信主要建立在平面電磁波上，已充分利用時(shí)域、頻域、碼域、空域和極化域這些復(fù)用維度來提高頻譜效率。為了獲得更高的頻譜效率，業(yè)界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實(shí)現(xiàn)信息傳輸方式的突破，比如軌道角動(dòng)量技術(shù)。近年來，軌道角動(dòng)量一直是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
今天就給大家分享一個(gè)將軌道角動(dòng)量與毫米波技術(shù)相結(jié)合的基于介質(zhì)諧振器的軌道角動(dòng)量天線設(shè)計(jì)，非常具有實(shí)用性。這個(gè)設(shè)計(jì)建立了天線的等效模型，推導(dǎo)了其輻射場的理論表達(dá)，討論了介質(zhì)諧振器半徑對渦旋波電磁波模態(tài)的影響，通過仿真結(jié)果表明，該天線在波段有四個(gè)諧振點(diǎn)，能夠分別產(chǎn)生模態(tài)的渦旋電磁波。此外，該天線結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產(chǎn)生的各個(gè)模態(tài)的渦旋電磁波都具有良好的旋轉(zhuǎn)性，能夠獲得較強(qiáng)的抗干擾能力，為軌道角動(dòng)量在毫米波頻段的應(yīng)用提供了一定的現(xiàn)實(shí)意義。
天線設(shè)計(jì)
該天線設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)諧振器天線，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結(jié)構(gòu)圖，可以看到該天線是由一個(gè)介質(zhì)諧振器，一條微帶線，一層介質(zhì)基板和一個(gè)接地面構(gòu)成，圖3(b)是天線俯視圖。
仿真結(jié)果分析
天線的S參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映電磁波傳遞過程種的反射情況。如圖7所示是該天線的S參數(shù)仿真結(jié)果，可以看到，S參數(shù)有多次下降，表明這些頻率的波耦合進(jìn)了諧振器當(dāng)中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產(chǎn)生了4個(gè)諧振點(diǎn)，能夠產(chǎn)生的OAM模態(tài)。分別是：在29.6GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在30.6GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在32.2GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在35.1GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)。
展開 隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，近些年的通信容量實(shí)現(xiàn)了快速增長，傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前高速通信的需求。增大通信網(wǎng)絡(luò)的容量和提高通信速度的一種方法是開發(fā)太赫茲(Terahertz, THz)波段的光纖通信空間維度。太赫茲波是介于微波和紅外光之間的一種電磁波，頻率介于0.1THz到10THz之間，由于它帶寬大和傳輸速度快以及可以提供點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。而在空間維度資源中，基于軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分復(fù)用技術(shù)由于攜帶不同拓樸荷數(shù)的相互正交的軌道角動(dòng)量模式成為擴(kuò)大通信容量的一種非常有潛力的方案。軌道角動(dòng)量具有全新的電磁波自由度特性，具有軌道角動(dòng)量特性的電磁波可以在常用的信息傳輸方式，如波分復(fù)用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振復(fù)用（Polarization Multiplexin，PM）、時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）等信息傳輸方式上成倍的提高信息傳輸容量。
近日，中國計(jì)量大學(xué)嚴(yán)德賢課題組提出了基于太赫茲波段的負(fù)曲率軌道角動(dòng)量光纖。該光纖以重慶摩方精密科技有限公司提供的HTL聚合物材料（耐高溫樹脂）為基底，采用兩層傾斜橢圓管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過引入環(huán)芯區(qū)域在0.4-0.8THz波段成功產(chǎn)生50-52個(gè)OAM模式，且在所研究的波段內(nèi)獲得了高模式純度、低限制損耗和低波導(dǎo)色散等傳輸特性，相關(guān)研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission”為題發(fā)表在《Results in Physics》。
展開 現(xiàn)實(shí)表明，具有軌道角動(dòng)量（OAM）的光束可用于各種應(yīng)用，從量子光學(xué)到光學(xué)通訊和顯微鏡。 目前已提出多種產(chǎn)生此種光束的方法，這里，我們在VirtualLab Fusion中演示了如何利用螺旋相位板產(chǎn)生更具有軌道角動(dòng)量(OAM)的光束。利用可編程界面描述具有自定義參數(shù)的螺旋相位板，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行建模。
軌道角動(dòng)量光束(OAM)的產(chǎn)生
我們用不同參數(shù)的螺旋相位板演示了攜帶OAM的光束的產(chǎn)生。
如何使用可編程界面及實(shí)例(球面)
在本文檔中，我們以簡單的球形表面為例，說明如何使用可編程界面。 了解更多信息可發(fā)送信息至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com網(wǎng)址: http://www.infotek.com.cn / http://www.honglun-seminary.com
展開 由于具有編碼許多(理論上是無限的)信息狀態(tài)的能力，攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的光束在遠(yuǎn)程通訊中十分有用。盡管有這個(gè)優(yōu)勢，解碼信息（即測量OAM）通常是一個(gè)挑戰(zhàn)。根據(jù)M.P. J. Lavery等人的工作，我們在VirtualLab Fusion中建立了一個(gè)光路，用兩個(gè)自由曲面光學(xué)元件將OAM轉(zhuǎn)換為線性相位。通過這種裝置，我們將演示有效的OAM測量。
建模任務(wù)
自由曲面透鏡參數(shù)來自M. P. J. Lavery, et al., Opt. Express 20, 2110-2115 (2012)
建模任務(wù)
自由曲面透鏡參數(shù)來自M. P. J. Lavery, et al., Opt. Express 20, 2110-2115 (2012)
輸入L=-1的仿真結(jié)果
輸入L=0的仿真結(jié)果
輸入L=+1的仿真結(jié)果
輸入L=+2的仿真結(jié)果
輸入L=+3的仿真結(jié)果
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 自定義微結(jié)構(gòu)表面
- 如何使用可編程界面以及示例（球面）[用例]
? 正確地設(shè)置傅里葉變換
- 傅里葉變換設(shè)置 – 實(shí)例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 搭載軌道角動(dòng)量（OAM）光束的產(chǎn)生
- 如何使用可編程界面以及示例（球面）
展開 
軌道角動(dòng)量通信的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
軌道角動(dòng)量通信的最新內(nèi)容
現(xiàn)實(shí)表明，具有軌道角動(dòng)量（OAM）的光束可用于各種應(yīng)用，從量子光學(xué)到光學(xué)通訊和顯微鏡。 目前已提出多種產(chǎn)生此種光束的方法，這里，我們在VirtualLab Fusion中演示了如何利用螺旋相位板產(chǎn)生更具有軌道角動(dòng)量(OAM)的光束。利用可編程界面描述具有自定義參數(shù)的螺旋相位板，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行建模。
軌道角動(dòng)量光束(OAM)的產(chǎn)生
摘要
眾所周知，軌道角動(dòng)量(OAM)與光的螺旋相位有關(guān)。如今，搭載OAM的光束在量子光學(xué)、光通信和生物光子學(xué)等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。根據(jù)M. Massari等人的工作，我們用螺旋相位板演示了帶有OAM光束的產(chǎn)生。在VirtualLab Fusion的仿真中，給出了3個(gè)不同OAM指數(shù)的仿真實(shí)例。
建模任務(wù)
光路的概念來自
相關(guān)理論介紹
軌道角動(dòng)量因其模數(shù)的無限性與正交性在提升通信容量 方面有著巨大的潛力,對解決頻譜資源不堪重負(fù)的現(xiàn)狀有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
經(jīng)典電磁理論指出，電磁輻射不僅攜帶線性動(dòng)量，還有可能攜帶角動(dòng)量。對光波而言，角動(dòng)量和線性動(dòng)量之間的關(guān)系可簡單地表示為L =r +p ,其中表示角動(dòng)量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示線性動(dòng)量。角動(dòng)量可分為自旋角動(dòng)量SAM和軌道角動(dòng)量OAM兩部分
現(xiàn)實(shí)表明，具有軌道角動(dòng)量（OAM）的光束可用于各種應(yīng)用，從量子光學(xué)到光學(xué)通訊和顯微鏡。 目前已提出多種產(chǎn)生此種光束的方法，這里，我們在VirtualLab Fusion中演示了如何利用螺旋相位板產(chǎn)生更具有軌道角動(dòng)量(OAM)的光束。利用可編程界面描述具有自定義參數(shù)的螺旋相位板，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行建模。
軌道角動(dòng)量光束(OAM)的產(chǎn)生
我們用不同參數(shù)的螺旋相位板演示了攜帶
眾所周知，軌道角動(dòng)量(OAM)與光的螺旋相位有關(guān)。如今，搭載OAM的光束在量子光學(xué)、光通信和生物光子學(xué)等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。根據(jù)M. Massari等人的工作，我們用螺旋相位板演示了帶有OAM光束的產(chǎn)生。在VirtualLab Fusion的仿真中，給出了3個(gè)不同OAM指數(shù)的仿真實(shí)例。
建模任務(wù)
光路的概念來自M. Massari, et al., Appl
由于具有編碼許多(理論上是無限的)信息狀態(tài)的能力，攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的光束在遠(yuǎn)程通訊中十分有用。盡管有這個(gè)優(yōu)勢，解碼信息（即測量OAM）通常是一個(gè)挑戰(zhàn)。根據(jù)M.P. J. Lavery等人的工作，我們在VirtualLab Fusion中建立了一個(gè)光路，用兩個(gè)自由曲面光學(xué)元件將OAM轉(zhuǎn)換為線性相位。通過這種裝置，我們將演示有效的OAM測量。
建模任務(wù)
軌道角動(dòng)量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，可以理解為在往前走的時(shí)候還自轉(zhuǎn)，軌道角動(dòng)量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動(dòng)量。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。因此，在正常的電磁波中添加相位旋轉(zhuǎn)因子，電磁波就不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋的相位結(jié)構(gòu)。渦旋波每繞傳輸軸旋轉(zhuǎn)一圈，相位波就前進(jìn)。
近年來，軌道角動(dòng)量一直是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
今天就給大家分享一個(gè)將軌道角動(dòng)量與毫米波技術(shù)相結(jié)合的基于介質(zhì)諧振器的軌道角動(dòng)量天線設(shè)計(jì)，非常具有實(shí)用性。這個(gè)設(shè)計(jì)建立了天線的等效模型，推導(dǎo)了其輻射場的理論表達(dá)，討論了介質(zhì)諧振器半徑對渦旋波電磁波模態(tài)的影響，通過仿真結(jié)果表明，該天線在波段有四個(gè)諧振點(diǎn)，能夠分別產(chǎn)生模態(tài)的渦旋電磁波。
而在空間維度資源中，基于軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分復(fù)用技術(shù)由于攜帶不同拓樸荷數(shù)的相互正交的軌道角動(dòng)量模式成為擴(kuò)大通信容量的一種非常有潛力的方案。
12月7日，國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題發(fā)表了上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)最新研究成果，報(bào)道了世界上首個(gè)軌道角動(dòng)量（OAM）波導(dǎo)光子芯片。并且同時(shí)作為Editors’ Suggestion和Featured
