軌道角動量通信的案例
一文讀懂剛剛突破的6G新技術(shù)
專家針對電磁波的傳播原理入手，于是軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）通信技術(shù)被提了出來。
圖源 | 通信學報《軌道角動量通信技術(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用空間，而不是加強傳播距離。
這里放一段《渦旋電磁波軌道角動量傳輸技術(shù)》（《郵電設計技術(shù)》2022年1月13日 謝翔東，何耀宇，張超）論文中關于軌道角動量（OAM）的解釋：OAM是電磁波的固有物理屬性，OAM的物理量綱（ML2T-1）和電場強度的物理量綱（MLT-3I-1）線性無關（其中M為質(zhì)量，L為長度，T為溫度，I為電流），所以彼此獨立。經(jīng)典電動力學和量子電動力學（QED）理論均指出，電磁波角動量包括自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。自旋角動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。
軌道角動量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動量和軌道角動量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動量也攜帶角動量，可以理解為在往前走的時候還自轉(zhuǎn)，軌道角動量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動量。攜帶有軌道角動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 一種新的軌道角動量天線設計
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，已充分利用時域、頻域、碼域、空域和極化域這些復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現(xiàn)信息傳輸方式的突破，比如軌道角動量技術(shù)。近年來，軌道角動量一直是無線通信領域的研究熱點。
今天就給大家分享一個將軌道角動量與毫米波技術(shù)相結(jié)合的基于介質(zhì)諧振器的軌道角動量天線設計，非常具有實用性。這個設計建立了天線的等效模型，推導了其輻射場的理論表達，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諧振點，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，能夠獲得較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應用提供了一定的現(xiàn)實意義。
天線設計
該天線設計了一種介質(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介質(zhì)諧振器，一條微帶線，一層介質(zhì)基板和一個接地面構(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了諧振器當中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產(chǎn)生了4個諧振點，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 微納級3D打印：中國計量大學嚴德賢課題組《Results in Physics》，基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，近些年的通信容量實現(xiàn)了快速增長，傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡已經(jīng)難以滿足當前高速通信的需求。增大通信網(wǎng)絡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對點的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)而備受關注。而在空間維度資源中，基于軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分復用技術(shù)由于攜帶不同拓樸荷數(shù)的相互正交的軌道角動量模式成為擴大通信容量的一種非常有潛力的方案。軌道角動量具有全新的電磁波自由度特性，具有軌道角動量特性的電磁波可以在常用的信息傳輸方式，如波分復用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振復用（Polarization Multiplexin，PM）、時分復用（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，中國計量大學嚴德賢課題組提出了基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖。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)設計，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色散等傳輸特性，相關研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission”為題發(fā)表在《Results in Physics》。
展開 產(chǎn)生軌道角動量（OAM）光束
現(xiàn)實表明，具有軌道角動量（OAM）的光束可用于各種應用，從量子光學到光學通訊和顯微鏡。 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)元件進行建模。
軌道角動量光束(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 
用自由曲面光學元件測量軌道角動量（OAM）
由于具有編碼許多(理論上是無限的)信息狀態(tài)的能力，攜帶軌道角動量(OAM)的光束在遠程通訊中十分有用。盡管有這個優(yōu)勢，解碼信息（即測量OAM）通常是一個挑戰(zhàn)。根據(jù)M.P. J. Lavery等人的工作，我們在VirtualLab Fusion中建立了一個光路，用兩個自由曲面光學元件將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
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
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]
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 搭載軌道角動量（OAM）光束的產(chǎn)生
- 如何使用可編程界面以及示例（球面）
展開 上海交大金賢敏團隊制備出軌道角動量波導光子芯片
12月7日，國際物理學權(quán)威期刊《物理評論快報》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題發(fā)表了上海交通大學金賢敏團隊最新研究成果，報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子芯片。并且同時作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點文章（highlighted article）在PRL網(wǎng)站首頁重點推薦，美國物理學會的《物理》期刊也做了同步發(fā)表亮點文章。
這是首次在光芯片內(nèi)制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，并實現(xiàn)在波導內(nèi)高效和高保真地傳輸。這項研究進展使得未來在光子集成芯片內(nèi)高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術(shù)芯片化集成化打開了大門。研究組發(fā)表文章前已經(jīng)為該波導芯片申請了發(fā)明專利。
帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過芯片內(nèi)的波導
顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導的橫截面，波導直徑約為10微米
近年來，由于扭曲光（twisted light）獨特的特性，具有“甜甜圈”分布的強度結(jié)構(gòu)，螺旋型波陣面的位相結(jié)構(gòu)，攜帶軌道角動量的動態(tài)特性，使其被廣泛地應用于光束縛、光操縱以及光鉗等領域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內(nèi)在的正交性，可以為模式多路分發(fā)提供巨大的資源，用于解決通信系統(tǒng)上信道容量緊縮的問題。
展開 [NEWSLETTER] 產(chǎn)生軌道角動量（OAM）光束
現(xiàn)實表明，具有軌道角動量（OAM）的光束可用于各種應用，從量子光學到光學通訊和顯微鏡。 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)元件進行建模。
軌道角動量光束(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
展開 搭載軌道角動量（OAM）光束的產(chǎn)生
眾所周知，軌道角動量(OAM)與光的螺旋相位有關。如今，搭載OAM的光束在量子光學、光通信和生物光子學等許多領域都有應用。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個不同OAM指數(shù)的仿真實例。
建模任務
光路的概念來自M. Massari, et al., Appl. Opt. 54, 4077-4083 (2015)
角向指數(shù)L=1，徑向指數(shù)P=1
角向指數(shù)L=1，徑向指數(shù)P=2
角向指數(shù)L=1，徑向指數(shù)P=3
不同情況對比
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 定制微結(jié)構(gòu)表面
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）[用例]
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）
- 利用偏振光干涉產(chǎn)生空間變化的偏振
展開 基于HFSS的軌道角動量天線設計
相關理論介紹
軌道角動量因其模數(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的現(xiàn)狀有很強的現(xiàn)實意義。
經(jīng)典電磁理論指出，電磁輻射不僅攜帶線性動量，還有可能攜帶角動量。對光波而言，角動量和線性動量之間的關系可簡單地表示為L =r +p ,其中表示角動量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示線性動量。角動量可分為自旋角動量SAM和軌道角動量OAM兩部分，用S和J分別表示他們，則L可以表示為：
L = S + J
對于線極化光波，有S=0，在考慮傳播方向上的角動量時，如z軸，它與x、y平面上的線性動量有關。p =mv =ε_0 E xB ,E和B分別表示電場和磁場。因此，對于TEM波而言，不論是圓極化波還是線極化波，其電場與磁場均存在于x、y平面內(nèi)， 線性動量p平行于z軸，因此在傳播方向上不會有角動量產(chǎn)生。這表明，在傳播方向上，如果沒有電場或者磁場的分布則角動量也不會產(chǎn)生。實際情況下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，軸向場總是存在，因此電磁輻射總會伴隨著角動量的傳輸。如圖1所示，渦旋波的坡印廷矢量放向不是沿著z軸直線傳播，而是呈現(xiàn)“螺旋上升”的形式。
圖1渦旋電磁波坡印廷矢量變化示意圖
圖2 不同結(jié)構(gòu)偶極子圓環(huán)陣
采用線極化的偶極子進行圓環(huán)排布，是得到渦旋波的常用方法，圖2給出了（a）放射狀結(jié)構(gòu)，（b）切線結(jié)構(gòu)和（c）均衡結(jié)構(gòu)的三種排布方式。實驗發(fā)現(xiàn)對于相同的陣元個數(shù)，實現(xiàn)相同的軌道角動量模式數(shù)時，沿一個方向放置的陣列比射線放置和切線放置的陣列所輻射的波束更準直，且有更少的副瓣和更強的輻射強度，并且，用陣列方法產(chǎn)生渦旋電磁波時，各陣元的極化方式必須相同，且只有在與發(fā)射陣元相同的極化方向上才能獲得設定模態(tài)的渦旋電磁波。
展開 [VirtualLab] 搭載軌道角動量（OAM）光束的產(chǎn)生
摘要
眾所周知，軌道角動量(OAM)與光的螺旋相位有關。如今，搭載OAM的光束在量子光學、光通信和生物光子學等許多領域都有應用。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個不同OAM指數(shù)的仿真實例。
建模任務
光路的概念來自M. Massari, et al., Appl. Opt. 54, 4077-4083 (2015)
角向指數(shù)L=1，徑向指數(shù)P=1
角向指數(shù)L=1，徑向指數(shù)P=2
角向指數(shù)L=1，徑向指數(shù)P=3
不同情況對比
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 定制微結(jié)構(gòu)表面
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）[用例]
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）
- 利用偏振光干涉產(chǎn)生空間變化的偏振
展開 