OAM轨道角动量调制

OAM轨道角动量介绍内容提要:1OAM轨道角动量研究背景1.1OAM的基本概念1.2OAM的特性2基于OAM的信息传输系统2.1OAM键控2.2OAM复用2.3产生方式2.4应用实例3OAM在无线通信中的应用3.1研究现状3.2基本原理3.3产生方式3.4电磁涡旋波的复用1.OAM轨道角动量研究背景自1992年光的轨道角动量（OAM）由Allen等人提出以来，就受到人们的广泛关注，尤其在发现可以通过对OAM进行调制来传递信息之后，利用OAM进行FSO(自由空间光通信，free-spaceopticalcommunication)通信掀起了世界性的研究热潮。传统的调制技术，使用频率、时间、码型和空间等资源作为自由度，而OAM调制技术将载波携带的OAM模式作为调制参数。利用OAM模式内在的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式的不同区分不同的信道。由于具有OAM的螺旋波束可以构成无穷维的希尔伯特空间，因此理论上同一载频利用OAM复用可获得无穷的传输能力。OAM复用的频谱利用率远远高于LTE、802.11n和DVB-T通信类型OAMLTE802.11nTVB-T频谱利用率95.5bit·s-1·Hz-116.32bit·s-1·Hz-12.4bit·s-1·Hz-10.55bit·s-1·Hz-1传输速率2.56Tbit·s-1326.4Mbit·s-1144.4Mbit·s-131.668Mbit·s-11.1OAM的基本概念近年来的研究表明，光束具有两种角动量，一种是由于光束的偏振特性产生的角动量，另一种是由于光束具有螺旋相位结构而产生的轨道角动量。1936年Beth使圆偏振光通过一个用石英光纤悬挂的半波带板，首先观察到了由于光束圆偏振特性引起的角动量，并通过精确测量光纤的扭矩发现此角动量与量子自旋有关。近年来发现，当光束含有角相关的相位分布（扭转相位或螺旋相位）时，此类光束具有与角向相位分布有关的角动量，被称为轨道角动量，携带轨道角动量的光束被称为“光学涡旋”（opticalvortices）,它是一类具有螺旋相位波前或相位奇点的特殊光场，其相位分布函数中常含有与旋转方位角成正比的项，通常是整数，又被称作光学涡旋的拓扑荷（topologicalcharge,简称TC）。exp()ill1.1OAM的基本概念当光束的场强函数含有与空间方位角有关的相位因子时，每个光子具有值为的轨道角动量。轨道角动量：由于光束具有螺旋形相位结构而产生的角动量。空间方位角：本征态：其值为（为本征值）用以衡量和区分OAM的不同模态。拓扑荷：表示绕光束闭合回路一周线积分为整数倍的个数，直观上为光束沿轴向传播一个波长时其螺旋波前旋转的次数。其值用衡量。ilelharctan(y/x)=arctan(z/r)lh22ll1.2OAM的特性a.正交性。不同模态的OAM光束相互正交，可将一组不同模态的OAM光束作为信号调制的正交基。例如：OAM的正交性使得对于多模态的OAM复用系统，理论上在接收端可以通过一组滤波器对不同模态的OAM光束进行完美分离和检测。b.安全性。利用OAM承载信息具有很好的安全性。这种安全性归功于OAM的拓扑荷和方位角之间的不确定关系。c.多维量子纠缠。2001年Mair等人在自发参数转换产生的光子对中，观察到OAM纠缠态，揭示了OAM的量子本质。相对于传统的“0”、“1”bit的二维纠缠，OAM的本征态的数目无限，可以实现任意维度的纠缠。2|u|,'0,(r,,z)u(r,,z)r{mrdrdnmmnnmudrd1|12()|2lP2基于OAM的传输系统OAM作为一个新的自由度，已成为FSO系统中调制编码的新方法。OAM编码即设计信息比特与OAM态之间的映射方式。目前OAM在FSO系统中的应用机制主要有两种：OAM键控（OAM-SK）和OAM复用（OAM-DM）。OAM键控：保持光源不变，通过动态器件（如SLM）改变OAM的状态，信息被编码加载到OV光束的OAM状态上，类似于数字通信中的键控调制。OAM复用：OAM状态是固定的，OV光束用做信息的载体，全息图保持静止而多个光源通过调制加载数据。2.1OAM键控理论上OV光束有无限个本征态，对应无限个拓扑荷值，因此，OAM代表的比特数也没有上限。对于这种方法，保持光源不变，通过动态器件（如SLM），信息被编码加载到OV光束的OAM状态。如OAM的每个本征态可代表编码信号{000,001,010,011,100,101,110,111}中的一个。进一步，当OAM的N个本征态用于通信时，每个态代表个比特的信号。N2log基于连续单激光器和动态全息图的OAM-SK优点：系统简单光源数量少可任意改变拓扑荷缺点：空间光调制器的刷新频率较低2.2OAM复用这种方法通过调制光源阵列，然后再通过空间光调制器，将其转换为携带轨道角动量的螺旋光束，这样就将信息加载到具有不同轨道角动量的光束中。基于时间变化的入射和静态全息图的OAM-DM优点：高比特率高光谱效率低误码率缺点：系统复杂成本高激光谐振腔螺旋位相片全息图柱面镜模式转换器2.3产生方式2.4应用实例接下来用两个实际系统模型：基于单光束动态全息图的OAM-SK和基于多光束静态全息图的OAM-DM来讲解上面的两种原理。基于OAM-SK的传输实例调制原理：由单个高斯光束使用空间光调制器而产生不同拓扑荷涡旋光束叠加而形成混合涡旋光束，其形式为：，以此作为信息载体。式中叠加的光束数M、拓扑荷、幅值和权重系数都编码为计算机产生全息图的结构被发送到空间光调制器显示。下图中数据被写入计算机产生全息图送到SLM，激光照射SLM，传输场的空间谱出现在傅里叶透镜的后焦平面，经滤波后分离出+1衍射级，则入射的高斯光束转化为携带被编码数据的混合涡旋光束。1MillliUauelulal光束轨道角动量调制原理图基于OAM-DM的传输实例基于OAM-DM的传输实例解调原理:部分实验结果部分测量结果如下图所示：（a）（b）（c）（d）（e）3OAM在无线通信中的应用目前，移动通信系统容量以及频谱效率已经接近香农极限，为了进一步提升系统容量以及频谱效率，满足未来移动数据业务需求需要探索革命性创新技术。近年来，轨道角动量技术的研究倍受关注。由于良好的正交性，使其可以在同一载频上传输多路电磁涡旋波，因此轨道角动量技术在无线通信中的应用逐渐成为研究的热点。3.1研究现状2007年，Thide等人分析了由偶极子组成的圆环形天线阵，认为LG螺旋光束理论和物理性质可以推广到低频情形。2011年，Taburini等人采用螺旋抛物面天线在2.4GHz载频上实现了l=0和l=1两个模式OAM信道442m的无线传输。3.2基本原理产生机理：在携带数据信息的正常电磁波上添加一个与空间方位角相关的旋转相位因子将其转变为电磁涡旋波，可以表示为：其中表示正常电磁波的幅度值，表示到波束中心的轴线的辐射距离，为方位角，为轨道角动量的本征值。传输机理：利用不同本征值的电磁涡旋波是相互正交的。可以在同一带宽内并行传输多路电磁涡旋波，理论上讲，相互不会产生干扰。ile(,)()ilUrArelr()Ar3.3产生方式目前，在无线电频段生成OAM无线电波的方法有两种手段：螺旋抛物面天线：通过调整抛物面开口两端的间距产生任意模式的OAM模式波明显缺陷：一种几何结构只能产生一种电磁涡旋波。相控阵天线阵列：相控天线阵只需改变天线的电流相位即可产生不同的OAM波束，非常方便。螺旋抛物面天线如图所示，反射器上的开口引入波程差，因此改变了反射波的相位结构。理论上，通过调整开口两端之间的高度差可以产生任意模式的OAM电波。模式数与高度差关系为：l'h'2lh相控阵天线以圆环形阵列天线为例来讲解。多个相似天线单元组成典型圆环形天线阵，其阵因子是：当，上式可写为：。其中和分别是依赖于参考天线和天线电流关系的常数。若激励源电流相位满足：，则，相位因子转化为，含有螺旋相位项。这样通过控制阵元激励的相位，可以有效地生成具有OAM的螺旋波束。ileN1(Kasin)iHnHfKeJ1KNnnHnnlnllnHlniHeile[kasincos()]1nnNinnfIe3.4电磁涡旋波的复用利用拓扑荷不同的轨道角动量的正交性，可以实现同频上传输多路电磁涡旋信号。2012年，Wang等实现了1.37Tbps的OAM-DM自由空间光通信。图中将4路数据调制在同一载频上，形成4路正常电磁波信号，再通过相位旋转将其转换4路电磁涡旋波，这样多路信号就可以合并后进行发送。同时也可以引入其他的复用方式，如引入旋转角动量配合使用，这样在同一频点上，利用4个极化复用的OAM信号可以传输8路独立的信息。2013年，Huang等人实现了32路独立的20Gb/s16进制正交振幅调制(QAM，quadratureamplitudemodulation)数据流的OAM复用传输，达到2.56Tbit/s高速数据通信，而误码率小于2×10－3。轨道角动量复用及解复用工作原理图对OAM适用性的讨论它在无线通信技术方面的适用性遭到了Tamagnone等的质疑：OAM波束是中空的，中间区域场强很弱，且随着传播距离的增加，中空部分会变得更大，导致接收天线不能识别该信号。Tamburini等则回应：OAM信道取决于载波的相位结构，而相位结构与传播距离无关，因此OAM信道和时分、码分等一样可应用于无线通信系统中。在无线通信应用中面临的挑战目前，人们对轨道角动量的研究主要集中在光学领域，在无线通信领域的研究还处于初始阶段，仍然面临着很多问题与挑战：（1）如何产生不同本征值的电磁涡旋波（2）如何降低传输环境对电磁涡旋波的影响大气扰动引起衰减和串扰及湍流的影响。目前自适应光学、FEC可以有效降低BER。（3）如何对大量的电磁涡旋波状态进行有效的分离与检测补充