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1、OAM轨道角动量介绍,内容提要:,1 OAM轨道角动量研究背景 1.1 OAM的基本概念 1.2 OAM的特性 2 基于OAM的信息传输系统 2.1 OAM键控 2.2 OAM复用 2.3 产生方式 2.4 应用实例 3 OAM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-space optical communication)
2、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,1.1 OAM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
3、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”（optical vortices）, 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（topological charge,简称TC）。,1.1 OAM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
4、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。,1.2 OAM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
5、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 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
6、，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。,2.1 OAM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。,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
7、点： 空间光调制器的刷新频率较低,2.2 OAM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
8、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。,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）,3 OAM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，
9、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
10、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。,3.3 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
11、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：,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。,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
12、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20 Gb/s 16 进制正交振幅调制( QAM，quadrature amplitude modulation) 数据流的 OAM 复用传输，达到 2.56 Tbit/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
13、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,谢谢！,补充,
