提到電磁波特征你會(huì)想到什么？幅度？相位？頻率？除此之外還有什么？你以為電磁波真的只是紙上畫的各種各樣的正弦波嗎？你知道電磁波是矢量特征嗎？本文將對(duì)基于電磁波矢量特征的軌道角動(dòng)量特征的發(fā)展進(jìn)行介紹，帶你了解電磁波不為人知的另一面。

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 根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，其中，角動(dòng)量是由自旋角動(dòng)量（Spin Angular Momentum，SAM）和軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）組成的。自旋角動(dòng)量?jī)H與光子的自旋有關(guān)，表現(xiàn)為圓偏振狀態(tài)。

圖1  自旋角動(dòng)量示意圖

軌道角動(dòng)量表示電子繞傳播軸旋轉(zhuǎn)，是由能量流（由坡印廷矢量描述）圍繞光軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，它使電磁波的相位波前呈渦旋狀，因此，攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。

圖2 軌道角動(dòng)量示意圖

將軌道角動(dòng)量應(yīng)用在電磁波中，在正常的電磁波中添加一個(gè)相位旋轉(zhuǎn)因子，此時(shí)電磁波波前將不再是平面結(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)。

圖3 不同下的波前和等相位面圖

1992年，Allen[1]等人證實(shí)了軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，人們由此開始探討軌道角動(dòng)量的應(yīng)用。最初對(duì)軌道角動(dòng)量的應(yīng)用主要在光通信領(lǐng)域。2014年，在維也納實(shí)現(xiàn)了攜帶OAM的光波在自由空間中的3km傳輸，其誤碼率小于1.7%[2]

圖4  在維也納進(jìn)行的OAM傳輸實(shí)驗(yàn)

2007年，瑞典空間物理研究所Thidé B[3]教授等人***提出將光子OAM應(yīng)用于低頻，通過(guò)仿真驗(yàn)證了可以使用相控陣列天線產(chǎn)生渦旋電磁波，開創(chuàng)了將軌道角動(dòng)量應(yīng)用于無(wú)線通信中的先河，提出了將渦旋電磁波用于擴(kuò)大無(wú)線通信容量的設(shè)想。

 Mohammadi S M等人[4]利用相控陣列天線產(chǎn)生了渦旋電磁波，并在29.98MHz處進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并且提出，當(dāng)圓形陣列天線直徑越大時(shí)，波瓣圖中兩個(gè)對(duì)稱主瓣之間的夾角減小，圖案變得更加準(zhǔn)直，并且旁瓣數(shù)量增加，由于旁瓣的角度比主瓣寬的多，所以它們不會(huì)沿著波束軸被檢測(cè)到，但是旁瓣的增加會(huì)導(dǎo)致能量的分散，因此可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)天線直徑來(lái)控制OAM傳播的方向性。除了相控陣列天線以外，在無(wú)線通信領(lǐng)域還有很多種渦旋波生成方法，例如階梯型反射面天線[4,5]、螺旋拋物面天線[6-9]、時(shí)間開關(guān)相控陣列天線陣列法[10]等。

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圖5  螺旋拋物面天線

目前在無(wú)線通信領(lǐng)域，對(duì)OAM的研究主要集中在如何利用復(fù)用技術(shù)提高頻譜利用率和傳輸效率。2011年，F(xiàn)abrizio Tamburini等人在意大利威尼斯采用螺旋拋物面天線和八木天線***次驗(yàn)證了渦旋波在無(wú)線通信復(fù)用傳輸中的可能性，該實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)442米傳輸[11]。文獻(xiàn)[12]利用不同狀態(tài)的OAM進(jìn)行復(fù)用傳輸，可達(dá)到***32Gbit/s的傳輸速率和16Gbit/s/Hz的頻譜效率。

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圖6  威尼斯實(shí)驗(yàn)

 在光纖通信領(lǐng)域，由于現(xiàn)網(wǎng)中廣泛使用的是單模光纖傳輸，而傳統(tǒng)單模光纖支持的傳輸模式必須是基模，具有螺旋相位波前的渦旋波在單模光纖中傳輸是會(huì)由于模式簡(jiǎn)單簡(jiǎn)并退化成平面波，目前只能依賴特殊光纖傳輸OAM信道。2013年，Alan E. Willner團(tuán)隊(duì)利用特殊設(shè)計(jì)的光纖來(lái)傳輸OAM光束，實(shí)現(xiàn)了1.6 Tbit/s的光信息傳輸，傳輸光纖長(zhǎng)為1.1km，這項(xiàng)研究為未來(lái)基于OAM的光通信技術(shù)的光纖傳輸提供了可能[13]。但是特殊光纖的設(shè)計(jì)、制作成本較高，不利于推廣使用，也不利于與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步融合。因此，要把OAM技術(shù)應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域還是有一定難度的。

結(jié)語(yǔ)

軌道角動(dòng)量特征作為電磁波的矢量特征具有很廣闊的發(fā)展前景，不但可以用于提高頻譜利用率，增大傳輸速率，還以其良好的方向性在無(wú)線傳輸安全保密通信領(lǐng)域具有極大的研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[11]Fabrizio Tamburini, Elettra Mari, Anna Sponselli, et al. Encoding many channels in the same frequency through radio vorticity: first experimental test[J]. New Journal of Physics, 2011, 14(3):811-815.

[12]Zhao Z, Yan Y, Li L, et al. A dual-channel 60 GHz communications link using patch antenna arrays to generate data-carrying orbital-angular-momentum beams[C]// IEEE International Conference on Communications. IEEE, 2016:1-6.

[13]Nenad Bozinovic, Siddharth Ramachandran. Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers.[J]. Science (New York, N.Y.), 2013, 340(6140):1545-8.

【本文為51CTO專欄作者“中國(guó)保密協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)分會(huì)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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