你真的了解电磁波吗？——轨道角动量发展

提到电磁波特征你会想到什么？幅度？相位？频率？除此之外还有什么？你以为电磁波真的只是纸上画的各种各样的正弦波吗？你知道电磁波是矢量特征吗？本文将对基于电磁波矢量特征的轨道角动量特征的发展进行介绍，带你了解电磁波不为人知的另一面。

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 根据经典电动力学理论，电磁辐射既携带线动量也携带角动量，其中，角动量是由自旋角动量（Spin Angular Momentum，SAM）和轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）组成的。自旋角动量仅与光子的自旋有关，表现为圆偏振状态。

图1  自旋角动量示意图

轨道角动量表示电子绕传播轴旋转，是由能量流（由坡印廷矢量描述）围绕光轴旋转而产生的，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，因此，携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。

图2 轨道角动量示意图

将轨道角动量应用在电磁波中，在正常的电磁波中添加一个相位旋转因子，此时电磁波波前将不再是平面结构，而是绕着波束传播方向旋转，呈现出一种螺旋的相位结构。涡旋波每绕传输轴旋转一圈，相位波就前进。

图3 不同下的波前和等相位面图

1992年，Allen[1]等人证实了轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，人们由此开始探讨轨道角动量的应用。最初对轨道角动量的应用主要在光通信领域。2014年，在维也纳实现了携带OAM的光波在自由空间中的3km传输，其误码率小于1.7%[2]

图4  在维也纳进行的OAM传输实验

2007年，瑞典空间物理研究所Thidé B[3]教授等人***提出将光子OAM应用于低频，通过仿真验证了可以使用相控阵列天线产生涡旋电磁波，开创了将轨道角动量应用于无线通信中的先河，提出了将涡旋电磁波用于扩大无线通信容量的设想。

 Mohammadi S M等人[4]利用相控阵列天线产生了涡旋电磁波，并在29.98MHz处进行了实验，并且提出，当圆形阵列天线直径越大时，波瓣图中两个对称主瓣之间的夹角减小，图案变得更加准直，并且旁瓣数量增加，由于旁瓣的角度比主瓣宽的多，所以它们不会沿着波束轴被检测到，但是旁瓣的增加会导致能量的分散，因此可以通过合理设计天线直径来控制OAM传播的方向性。除了相控阵列天线以外，在无线通信领域还有很多种涡旋波生成方法，例如阶梯型反射面天线[4,5]、螺旋抛物面天线[6-9]、时间开关相控阵列天线阵列法[10]等。

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图5  螺旋抛物面天线

目前在无线通信领域，对OAM的研究主要集中在如何利用复用技术提高频谱利用率和传输效率。2011年，Fabrizio Tamburini等人在意大利威尼斯采用螺旋抛物面天线和八木天线***次验证了涡旋波在无线通信复用传输中的可能性，该实验经过442米传输[11]。文献[12]利用不同状态的OAM进行复用传输，可达到***32Gbit/s的传输速率和16Gbit/s/Hz的频谱效率。

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图6  威尼斯实验

 在光纤通信领域，由于现网中广泛使用的是单模光纤传输，而传统单模光纤支持的传输模式必须是基模，具有螺旋相位波前的涡旋波在单模光纤中传输是会由于模式简单简并退化成平面波，目前只能依赖特殊光纤传输OAM信道。2013年，Alan E. Willner团队利用特殊设计的光纤来传输OAM光束，实现了1.6 Tbit/s的光信息传输，传输光纤长为1.1km，这项研究为未来基于OAM的光通信技术的光纤传输提供了可能[13]。但是特殊光纤的设计、制作成本较高，不利于推广使用，也不利于与现有网络进一步融合。因此，要把OAM技术应用于光纤通信领域还是有一定难度的。

结语

轨道角动量特征作为电磁波的矢量特征具有很广阔的发展前景，不但可以用于提高频谱利用率，增大传输速率，还以其良好的方向性在无线传输安全保密通信领域具有极大的研究价值。

参考文献

[1]Allen L, Beijersbergen M W, Spreeuw R J, et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes.[J]. Physical Review A Atomic Molecular & Optical Physics, 1992, 45(11):8185.

[2]Krenn M, Fickler R, Fink M, et al. Communication with spatially modulated Light through turbulent Air across Vienna[J]. New Journal of Physics, 2014, 16.

[3]Thidé B，Then H，Sj  holm J，et al． Utilization of photon or bital angular momentum in the low -frequency radio domain.[J].Physical Review Letters,2007,99(8):87-91.

[4]Mohammadi S M, Daldorff L K S, Bergman J E S, et al. Orbital Angular Momentum in Radio—A System Study[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2010, 58(2):565-572.

[5]Bo T, Tamburini F, Mari E, et al. Radio beam vorticity and orbital angular momentum[J]. Physics, 2012.

[6]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.

[7]Vaishnavi V, Priya V G, Sharmila D A, et al. Simulation of helical modulation in a focal plane array[C]// International Conference on Communications and Signal Processing. IEEE, 2014:1414-1418.

[8]Singh R P, Poonacha P G. Survey of techniques for achieving topological diversity[C]// Communications. IEEE, 2013:1-5.

[9]Tamburini F, Thidé B, Boaga V, et al. Experimental demonstration of free-space information transfer using phase modulated orbital angular momentum radio[J]. Physics, 2013.

[10]Tennant A, Allen B. Generation of radio frequency OAM radiation modes using circular time-switched and phased array antennas[C]// Antennas and Propagation Conference. IEEE, 2013:1-4.

[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.

【本文为专栏作者“中国保密协会科学技术分会”原创稿件，转载请联系原作者】

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