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光轨道角动量的研究现状
光轨道角动量（OAM）的研究现状取得了一些进展。
香港科技大学和香港城市大学的研究人员最近使用时空编码的数字变表面开发了时变OAM光束。
他们使用现场编程门阵列（FPGA）来控制微波状态下超表面原子的反射向位。
通过利用超表面的灵活性和编程性，研究团队构建了不同模式的时变OAM光束，在每个时间层中具有随时间变化的相位局限。
这不仅允许时变拓扑电荷，还允许OAM光束的包络波前结构在相位非线性时间依赖性方面出现高阶扭曲，这充当额外的自由度以允许更大的应用能力。
该团队开发了一种双探针映射方法，以动态映射时变OAM场，通常包括不同时刻的幅度和相位模式。
此外，他们还对测量的场图进行了针对模式分解的频谱分析，证明了生成的时变OAM浓度和包络波前结构中设计的高阶扭曲。
他们的创新方法结合了超表面的时空数字编码和双探头场映射技术，为生成和观察时变OAM以及其他时空激发提供了一个多功能平台。
所提出的时变OAM波束在动态粒子捕获、信息加密等方面具有应用潜力。
轨道角动量技术一、什么是轨道角动量技术？轨道角动量技术是一种应用于航天器和卫星的重要技术，它涉及到航天器的轨道和角动量的控制。
角动量是物体旋转时所具有的特性，对于航天器而言，轨道角动量的控制可以实现轨道的调整和姿态的改变。
二、轨道稳定与轨道控制2.1 轨道稳定轨道稳定指的是航天器在运行轨道上保持稳定的能力。
对于地球上的卫星而言，由于地球的引力和空气阻力的影响，轨道会发生变化。
而轨道稳定技术可以通过控制航天器的姿态和推力来保持轨道的稳定。
2.2 轨道控制轨道控制指的是航天器进行轨道调整和姿态改变的过程。
轨道调整可以通过推力控制实现，而姿态改变则需要利用航天器上的姿态控制装置进行调整。
通过轨道控制技术，可以使航天器实现目标轨道的转移和定点停留等操作。
三、轨道角动量的计算方法轨道角动量的计算方法主要包括两种：角动量矩阵法和角动量方程法。
3.1 角动量矩阵法角动量矩阵法是一种基于向量运算的计算方法，它通过计算航天器的质量、位置和速度等参数，得到航天器的角动量。
具体计算方法如下：1.计算航天器的质心位置和速度矢量。
2.通过叉乘计算质心位置和速度矢量之间的角动量。
3.根据角动量的定义和矢量的模长计算得到航天器的角动量。
3.2 角动量方程法角动量方程法是一种基于力学原理的计算方法，它通过计算航天器所受外部力矩和角速度的积分得到航天器的角动量。
具体计算方法如下：1.根据牛顿第二定律和力矩的定义，建立航天器的角动量方程。
2.将航天器所受外部力矩和角速度的关系代入角动量方程。
3.对角动量方程进行积分，得到航天器的角动量。
四、轨道角动量技术的应用轨道角动量技术广泛应用于航天器和卫星的轨道控制和姿态调整中。
以下是一些典型的应用场景：4.1 轨道调整轨道调整是航天器在运行过程中对轨道进行微调和修正的过程。
通过控制航天器的推力，可以实现轨道的高度和形状的调整，以满足任务需求。
4.2 姿态控制姿态控制是航天器进行姿态调整和稳定的过程。
七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七发展策略1引言随着通信技术的发展和用户的需求，各类新业务不断涌现；特别是数据类业务的迅猛发展，通信网中的业务量以呈现级数增长的趋势。
随着5G 通信技术的演进，通信业务由传统的单一的话音业务已经转向了高速IP 数据业务为代表的宽带业务，物联网、工业互联网和智能终端等技术的发展使得互联网更加贴近人们的生活，同时也使数据流量呈爆炸式的增长，网络带宽被快速地消耗。
超大容量、低延时的通信网络是今后发展的必然趋势。
另一方面，随着密集波分复用（DWDM ）、多阶调制（如QPSK 、QAM 等）、相干接收以及各种纠错技术的广泛使用，单模光纤（SMF ）的传输系统容量已经达到100Tbit/s ，越来越接近香农极限，但仍不能满足日益增长的带宽需求。
为了寻求新型高速大容量光传输技术，人们提出了轨道角动量（Orbital Angular Momentum ，OAM ）技术。
本文介绍了OAM 技术的基本原理，分析了OAM 技术的优势，进而讨论了OAM 技术在光通信网络中如何实现大容量传输、动态组网，最后分析了研究中的局限性以及面临的挑战。
2技术原理及研究现状角动量是量子力学中最基本的物理量，可以分为自旋角动量（SAM ）和轨道角动量（OAM ）两部分。
光波作为电磁波的一种特例，在量子层面也具有这两种角动量。
而量子层面的这两种角动量也分别对应着两种宏观的物理现象。
自旋角动量对应光的偏振态，通信中利用两种线性偏振态之间的正交性实现了偏振复用（Polarization Division Multiplexing ，PDM ），可以在不调整码流速率的前提下实现系统传输频谱效率的倍增；而轨道角动量则对应光学漩涡，也称之为OAM 模式。
OAM 模式应用在光通信系统中可以大幅度地提升传输容量。
OAM 模式的位相围绕中心呈螺旋形分布，复函数的相位因子中含有与极坐标方位角成正比的一项：exp (i l θ)，其中l 称作OAM 模式的拓扑荷（Topological Charge ），可以取任意非零整数值，每一个拓扑荷值对*基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61471128）资助轨道角动量技术在光通信网络中的应用研究*张萌中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师张海懿中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师摘要：轨道角动量技术为高速光通信提供了一个全新的复用维度，实现大容量、高频谱利用率的光传输。
光通信的前途与发展随着互联网的普及，信息传输已经成为人们生活中的一部分。
而在信息传输中，通讯技术起到了至关重要的作用。
光通信就是目前被广泛应用的一种通讯技术。
光通信，顾名思义，就是利用光线进行信息传输的技术。
传输的方式是通过光纤，将光信号转化为电信号，从而实现数据传输。
与传统的有线通讯相比，光通信速度更快，传输距离更远，抗干扰能力更强。
而在大数据时代，光通信也成为信息传输领域的主要技术。
在光通信的发展历程中，一些新技术的出现，不仅使得传输的速度更快，而且也能够减少通讯设备的成本。
下面就针对光通信未来的前景和发展进行深入的分析。
一、光通信未来的前景近些年来，随着5G技术的逐渐普及，人们对光通信的需求越来越大。
而此时，光通信技术相较于5G技术在数据传输速度、带宽尺度、传播距离等方面都具有很大的优势。
光通信技术还可以用于未来高速列车的通讯系统，机器视觉系统等领域。
此外，光通信在医疗、教育等领域也具有广泛的应用前景。
例如，在医疗领域中，通过光通信技术可以远程传输医学影像。
这对医疗设备的维护和医疗资源的分配都大有裨益。
同时，光通信技术在教育领域中也具有很大的应用潜力。
通过光纤网络，可以为师生提供更加高效和稳定的教育资源。
二、光通信的发展在光通信的基础技术上，开发新的技术成为光通信未来的发展方向之一。
例如，基于半导体和材料的光子集成电路技术，能够把千兆和万亿级数据传输集成到一块芯片中，不仅满足数据传输的需求，还能降低成本，提高数据传输的速度和质量。
除此之外，开发光通信的设备和器件也是光通信未来的发展方向之一。
例如，大气光通信技术是新兴的光通信技术之一。
它通过激光将信息传输到目标距离，不需要通过地面光纤或卫星传输。
此外，新型光通信材料的开发也能够更好地支持光通信技术的发展。
结语随着互联网和大数据时代的到来，光通信的未来前景非常广阔。
而随着先进技术的不断进步，这种通讯技术带来的优势也越来越明显。
在未来的光通信发展过程中，只有不断突破技术瓶颈，开发新型的光通讯设备和器件，才能够更加完善光通信的发展。
宽带天线和轨道角动量天线技术研究宽带天线和轨道角动量天线技术研究引言宽带天线和轨道角动量天线技术是目前通信领域中备受关注的研究方向之一。
随着移动通信的快速发展和对更高频率和更大带宽需求的提出，传统的窄带天线已经不能满足人们对通信质量和信号容量的要求。
而轨道角动量天线技术则能够通过调整天线的方向和极化来实现高速、高容量的通信。
本文将从宽带天线的发展、轨道角动量天线的原理和应用等方面进行介绍和探讨。
一、宽带天线的发展宽带天线技术的发展可追溯到上世纪60年代，当时主要以扩片片天线为代表。
扩片片天线由于其结构简单、制造成本低廉以及宽频带特性，被广泛应用于无线通信系统中。
随着通信技术的进步，宽带天线的研究日趋成熟，目前已经涌现出了一系列新型的宽带天线，如多频段天线、宽带低剖面天线等。
这些天线不仅具有宽频带特性，而且在小型化、宽角度覆盖和抗干扰等方面也有很大的突破。
二、轨道角动量天线的原理轨道角动量天线技术是一种新型的通信天线技术，其原理是通过改变天线的方向和极化来实现信息的传输。
轨道角动量天线利用电磁波的自旋角动量和轨道角动量，实现了信息的多址化传输。
与传统的单极化天线不同，轨道角动量天线可以同时传输多个独立的信息流，从而大幅提高通信系统的容量和速率。
此外，由于轨道角动量天线在空间中的不同方向和角度上都能够传输信息，因此其在覆盖范围和抗干扰方面具有更优越的性能。
三、轨道角动量天线的应用轨道角动量天线技术在通信系统中有着广泛的应用前景。
首先，在卫星通信领域，轨道角动量天线可以通过对卫星位置和轨道的改变，实现对地球各个地区的全面覆盖，解决了传统卫星通信中覆盖区域有限的问题。
其次，在移动通信领域，轨道角动量天线技术可以实现高速、高容量的无线传输，满足人们对通信速率和容量的不断增长需求。
此外，轨道角动量天线技术还可以应用于雷达系统、无线电频谱管理等领域，为通信技术的发展带来更多可能。
结论宽带天线和轨道角动量天线技术是当前通信领域中备受关注的研究方向。
【创新之路】Way of Innovation众所周知，光是一种物质，它总是沿直线传播。
人类自古以来就研究光，而漩涡光束直到1992年才在荷兰莱顿大学被Allen等人发现。
科学家看到一个有趣的现象：在漩涡光束中，光线不是直线传播，而是以螺旋线的形式，在一个空心的圆锥形光束中传播。
因此，这种光束看起来像一个漩涡或龙卷风，其中的光线可以向左或向右扭转。
光子可以携带轨道角动量，这一科学发现推动了多个学科新的发展，如非线性光学、量子光学、原子光学、微观力学、微流学、生物科学和天文学等，漩涡光束同时也被开拓并广泛应用于多个新的领域，如光通信、光学捕获、光学微操控、显微检查和量子信息处理等。
漩涡光束发现20年来，传统上一直用各种体光学元件，例如柱状透镜、某些特殊波片、全息片、空间光调制器等来产生这种光束，但在很小区域内需要大量漩涡光束的情况下，非常不方便，阻碍了大规模应用。
中山大学的蔡鑫伦教授、余思远教授等人发明了一种硅基的平面光波导光子轨道角动量发射器，可以在几个微米的尺寸下产生涡旋光束，打破了传统光学元件的局限性，有很好的应用前景。
光子轨道角动量应用的发展历程光子以光速运动，并具有能量、动量和质量。
光子的动量可以分为线性动量和角动量，光子的线性动量方向与光的传播方向平行，当一束光入射到垂直传播方向的物体时，光对物体会产生一个压力，称为光压。
这个压力虽然非常小，但是非常有用，宏观上可以制作太阳帆，利用光压作为太空航行器源源不断的动力，微观上可以利用光压的梯度进行微粒的操控。
光子的角动量最先被熟知的是自旋角动量，它是光子的内禀角动量，关于自旋的确切物理含义比较复杂，可以简单地想象为是光子在绕自身旋转。
光子的自旋角动量只可能有两种取值+与-，其中是一个非常小的常数，称为约化普朗克常数。
在空间上，光子自旋角动量的这两种取值分别对应于右旋圆偏振与左旋圆偏振。
另外，光子还可以具有轨道角动量（Orbital AngularMomentum, OAM）。
空间光通信技术发展现状及未来趋势展望随着人类社会的进步和科技的发展，我们面临的未来将会越来越多元和复杂。
而一个完善的通信网络则是现代社会运行的核心，它连接着全球各地的信息，为人类的发展提供了无限的想象空间。
在这个发展的进程中，空间光通信技术的出现，则为人类提供了更为广阔的展望和可能性。
空间光通信技术是利用激光在太空中进行数据传输的技术。
这种技术利用了激光的特点：光速快、能量强、信号稳定，并且可以进行高速数据传输。
从而在空间通信中取代传统的天地互连和电波通信，成为新一代的核心通信形式。
与传统通信方式相比，空间光通信技术具有容量大、带宽宽、反干扰能力强等诸多优点。
近些年来，空间光通信技术发展势头迅猛，在多项关键技术突破、成熟技术应用等方面均取得了可喜的进展。
例如，2001年日本发射了全球第一颗空间光通信卫星“ETS-VII”，2006年中国的“实践七号”卫星成功实施了一次100兆比特的激光数据传输，实现了21个世纪同轨卫星之间的首次激光通信。
这些成功案例为空间光通信技术的开发和应用奠定了坚实的基础。
未来，空间光通信技术的发展将呈现出一系列的新趋势。
首先，基于激光光束在空间的特性，未来的空间光通信发射设备将更加小型化、轻量化、紧凑化、高效化，可以在更加复杂且多元的空间环境下实现高速数据传输。
这些设备可以既用于地球与同轨卫星之间的通信，又可用于卫星之间、地球与邻近星系等之间的通信。
其次，随着人类对太空资源更加深入的开发和利用，空间光通信技术将成为未来太空资源开发的重要基础，实现离散化资源的快速传输。
例如，在未来的月球资源开发过程中，可以使用空间光通信技术，将月球上的数据快速传输到地球上，实现实时控制和数据回传，一定程度上加快了人类太空开发的步伐。
最后，随着技术的不断提高和成熟，空间光通信技术有望实现人类与外星文明之间的通信。
作为人类科技发展的重要领域之一，探寻外星文明一直是人类探索的重要目标。
使用空间光通信可实现更广泛便捷的数据传输，从而让人们更轻松地探索、了解更多到外星文明。
光轨道角动量光轨道角动量是指光学中的一种特殊现象，它是光波传播过程中所带有的旋转运动。
光轨道角动量的研究不仅仅是理论上的探索，更为重要的是其在科技发展中的广泛应用，对于光通信、光操控和光学器件等领域都具有重要的指导意义。
光轨道角动量的发现源自于Maxwell方程组的研究。
在研究过程中，科学家们发现，光波除了传播的波前和波束外，还存在一种额外的自由度-光轨道角动量。
这一发现为光学研究提供了新的方向。
而正是通过进一步研究光轨道角动量，科学家们揭示了光学的一些重要特性，并在光学器件和通信技术中取得了突破性的进展。
光轨道角动量不仅仅是理论上的概念，它在实际应用中也具有重要的意义。
首先，光轨道角动量提供了一种新的光通信方式。
传统上，光通信中的信息传输主要依赖于光的强度和相位。
而通过利用光轨道角动量，我们可以将信息编码到光波的旋转运动中，从而大大提高了信息传输的容量和稳定性。
其次，光轨道角动量在光操控领域具有广泛的应用前景。
通过精确控制光波的光轨道角动量，可以实现对微观颗粒的操控。
这一技术不仅在生物领域中具有重要的应用，还可以用于纳米材料的加工和微纳器件的制造，对于推动微纳技术的发展具有重要的意义。
最后，光轨道角动量的研究为光学器件的性能提升提供了新的思路。
通过利用光轨道角动量，科学家们可以设计出一系列新型的光学器件，如光学陷阱、偏转器和倍增器等，这些器件能够在纳米尺度下实现高效的光学操控，并为高新技术的发展提供了强有力的支撑。
总而言之，光轨道角动量的研究在光学领域具有广泛而深远的意义。
不仅为我们揭示了光的新特性，更为光通信、光操控和光学器件等领域的发展提供了新的方向和机遇。
因此，我们应该继续深入研究和探索光轨道角动量，推动其在科技应用中的广泛应用。
光通信技术应用前景展望随着科技的不断进步，通信技术得到了突破性的发展。
光通信技术作为新一代通信技术的代表，已经开始逐渐替代传统的有线和无线通信技术。
在未来的发展中，光通信技术将会有一个广阔的应用前景。
一、光通信技术发展现状光通信技术是一种利用光纤传送大容量数字信息的技术。
相比传统的有线和无线通信技术，光通信技术具有更高的速度、更长的传输距离和更低的成本。
目前，光通信技术已经被广泛应用于互联网、移动通信、电视广播等领域。
在技术方面，光通信技术的不断突破和创新也为其未来的发展奠定了坚实的基础。
例如，光通信技术的调制速度已经从初期的几百兆赫兹到了近千兆赫兹，理论极限甚至可达10太赫兹。
这种极高的调制速度，使得光通信技术的速度和带宽得到了极大的提升。
同时，随着新的材料、器件和制造技术的涌现，光通信技术的成本也逐渐下降，未来的发展空间更加广阔。
二、光通信技术的应用前景光通信技术的应用前景非常广泛。
以下是几个光通信技术未来应用的领域：1、云计算云计算作为一种新兴的计算模式，已经得到了广泛的应用。
光通信技术对于云计算的支持起到了至关重要的作用。
目前，光通信技术已经成为连接云计算中心和用户的主要方式。
在未来，随着云计算的快速发展，对光通信技术的需求也会越来越大。
光通信技术将会在云计算领域发挥越来越重要的作用，为云计算的发展提供支持。
2、物联网物联网是指一系列能够通过互联网互相通信的物品，比如传感器、智能家居、智能交通系统等。
光通信技术在物联网的发展中也扮演着重要的角色。
在未来，物联网的设备和传感器数量将会越来越多，网络负载也会越来越大。
光通信技术的高速率和低延迟将会成为连接物联网设备和传感器的最佳选择。
3、医疗保健在现代医学领域，光通信技术已经被广泛应用。
比如，在手术中，光导纤维和激光器被用于进行手术和治疗；在医学成像中，激光成像技术已经成为一个重要的组成部分。
未来，随着医学技术的不断进步和需求的增加，光通信技术将会在医疗保健领域扮演越来越重要的角色。
轨道角动量态复用系统
在传统的光通信系统中，信息通常是通过光的偏振态或频率来传输的，而轨道角动量态复用系统则利用光子的轨道角动量状态来实现多维度的信息编码和传输，从而提高了光通信系统的信息容量和抗干扰能力。
轨道角动量态复用系统的优势之一是其在信息传输方面的高容量性能。
通过利用光子的轨道角动量状态，可以实现更多维度的信息编码，从而提高了光通信系统的信息传输速率和容量。
此外，由于轨道角动量态复用系统利用了光子的特性，因此在传输过程中具有较好的抗干扰能力，能够更好地应对信道噪声和干扰。
另外，轨道角动量态复用系统也在量子通信领域有着重要的应用。
利用光子的轨道角动量状态进行量子信息的编码和传输，可以实现更加安全和高效的量子通信。
这对于构建量子密钥分发系统和量子通信网络具有重要意义。
然而，轨道角动量态复用系统也面临着一些挑战。
例如，光子的轨道角动量态的制备和检测技术仍然存在一定的难度，需要更加高效、稳定的技术手段来实现。
此外，轨道角动量态复用系统在实
际应用中还需要克服光学器件的制造和性能限制，以及在光纤传输中的损耗和色散等问题。
综上所述，轨道角动量态复用系统作为一种新型的光通信和量子通信技术，具有着高信息容量、抗干扰能力强等优势，但也面临着一些技术挑战。
随着相关技术的不断进步和完善，相信轨道角动量态复用系统将在未来得到更广泛的应用和发展。
光轨道角动量的研究意义以光轨道角动量的研究意义为标题，我们来探讨一下光轨道角动量的相关内容。
光轨道角动量是指光子在传播过程中所具有的自旋和轨道角动量。
光子是光的最基本单位，它既可以作为粒子，也可以作为波动。
光轨道角动量的研究对于深入理解光的本质和光与物质相互作用具有重要意义。
光轨道角动量的研究对于光通信技术的发展具有重要意义。
光通信是一种高速、大容量的通信方式，已经成为现代信息传输的重要手段。
光轨道角动量可以用来增加光信号的传输容量，提高信息传输速率，进一步推动光通信技术的发展。
光轨道角动量的研究对于光学显微镜的分辨率提升有着重要作用。
传统的光学显微镜受到折射极限的限制，分辨率有一定的限制。
而利用光轨道角动量可以实现超分辨率显微镜，克服了传统显微镜的分辨率限制，可以观察到更小的细节结构，对于生物医学研究和纳米科学等领域具有重要意义。
光轨道角动量的研究也对于光学陷阱和操控微粒具有重要意义。
光学陷阱是一种利用光的力对微粒进行操控的技术，可以实现对微粒的定位、操纵和旋转等操作。
光轨道角动量可以用来设计和优化光学陷阱，提高微粒的操控精度和效率，对于微纳技术和生物物理学的研究有着重要的应用价值。
光轨道角动量的研究还可以用于光学信息存储和量子计算等领域。
光学信息存储是一种利用光的特性进行信息存储和读取的技术，光轨道角动量可以提高存储容量和数据传输速率，有助于实现更高效的光学信息存储系统。
量子计算是一种利用量子力学规律进行计算的新型计算方式，光轨道角动量可以用来构建量子比特，实现量子计算中的逻辑门操作，具有重要的理论和实践意义。
光轨道角动量的研究对于光通信技术、光学显微镜、光学陷阱、光学信息存储和量子计算等领域具有重要意义。
通过深入研究光轨道角动量的特性和应用，可以推动光学科学和光学技术的发展，拓展光学应用的领域，为人类社会的进步和发展做出贡献。
希望未来能够有更多的科学家和工程师投身于光轨道角动量的研究，开创出更多的科研成果和应用创新。
光通信技术及应用现状与未来发展趋势分析随着社会的发展，人们对通信技术的需求越来越高。
而在众多通信技术中，光通信技术成为研究的热点。
它具有传输速率快、传输距离远、传输能力强等优点，受到了广泛的重视和应用。
本文将探讨光通信技术的应用现状以及未来发展趋势。
一、光通信技术的应用现状光通信技术起源于20世纪60年代，当时光纤还处于实验室阶段。
随着技术的不断进步，如今光通信技术已广泛应用于各种场景。
1. 光纤通信光纤通信是光通信技术最为普及的应用之一。
光纤通信的优点在于，传输速率高，传输距离远，传输能力强。
目前，光纤通信已成为基础通信设施的一部分，广泛应用于电信、广电、军工等领域。
2. 光通信传感光通信传感是一种基于光学原理实现的环境监测技术。
通过激光束和光学元件的作用，可以测量环境中的各种物理量。
例如，在石油勘探中，可以利用光通信传感技术实现井下环境的温度、压力、流量等数据的测量。
3. 光通信卫星光通信卫星是指利用光通信技术实现卫星之间相互通信的技术。
相比传统的微波通信，光通信卫星的传输速率更高、噪声更小、安全性更好。
目前，国内外许多科研团队正在研究光通信卫星的技术，以实现更快、更稳定的卫星通信。
二、光通信技术的未来发展趋势未来，光通信技术的发展将朝着以下几个方向发展：1. 量子通信量子通信是一种以量子位为基本单位的通信技术，具有传输速率快、传输距离远、传输安全等特点。
相比传统光通信技术，量子通信能够更好地保护信息的安全性。
目前，全球范围内许多科研团队正在加紧研究量子通信的技术，以实现更快、更安全的通信方式。
2. 光电子集成技术光电子集成技术是指将光学和电子技术集成起来，实现更高效、更稳定的通信。
相比传统的光通信技术，光电子集成技术更具有波长对齐性、波导耦合等优势。
未来，随着光电子集成技术的不断进步，普通用户也能够享受到更稳定、更高速的通信服务。
3. 光子晶体技术光子晶体技术是指利用光学晶体的特殊结构和光学性质，实现更高效、更精确的通信。
25所轨道角动量25所轨道角动量轨道角动量（Orbital Angular Momentum，简称OAM）是一种描述光束旋转运动的物理量，与光束的形状、大小、传播方向等因素有关。
在光学、光通信、光计算等领域，轨道角动量已经成为了一个热门的研究方向。
本文将对轨道角动量的基本概念、分类、应用前景等方面进行简要介绍。
一、基本概念轨道角动量是光束在传播过程中所具有的一种物理量，它描述了光束在空间中的旋转运动。
具体来说，当光束在空间中传播时，其波前的相位和幅度分布可以形成一个螺旋状的波前结构，这种结构就具有轨道角动量。
在量子力学中，轨道角动量是粒子的一个重要的运动状态参数。
而在光学中，轨道角动量则用于描述光束的螺旋状波前结构。
二、分类根据不同的分类标准，轨道角动量可以分为不同的类型。
按照光束的偏振状态，轨道角动量可以分为线偏振光束和圆偏振光束；按照光束的拓扑荷数，轨道角动量可以分为拓扑荷数为0的光束和拓扑荷数不为0的光束。
此外，还有许多其他分类方法，如按照光束的聚焦状态、频率等。
三、应用前景轨道角动量的应用前景非常广泛，包括以下几个方面：1.光学通信：利用轨道角动量调制技术，可以在光学通信中实现更高的信息传输速率和更强的抗干扰能力。
2.光学计算：轨道角动量可以用于实现光学计算中的模式识别、图像处理等功能，提高计算效率和精度。
3.光学成像：利用轨道角动量可以改善光学成像的质量和分辨率。
例如，通过引入适当的螺旋相位板，可以实现超分辨成像。
4.量子光学：轨道角动量是量子光学中一个重要的物理量，可以用于实现量子纠缠和量子隐形传态等量子信息处理任务。
5.生物医学成像：轨道角动量可以用于生物医学成像中，例如在光学显微镜中实现细胞结构和功能的超分辨成像。
总之，轨道角动量的研究涉及多个学科领域，具有广泛的应用前景。
随着研究的深入和技术的发展，相信轨道角动量的应用将会在更多的领域得到推广和应用。
轨道角动量技术研究进展及其在5G-A和6G中的应用前景分
析
王喜瑜;孙韵淇;菅梦楠;杨军;陈艺戬
【期刊名称】《信息通信技术》
【年(卷),期】2024(18)1
【摘要】近年来,5G的建设取得了丰硕的成果。
以3GPP为首的标准组织正在积极开展5G第二阶段(5G Advanced,5G-A)以及6G的候选技术及标准工作。
电磁波的轨道角动量技术(Orbital Angular Momentum,OAM)是IMT-2030推进组在6G布局的重要研究方向,以其优异的理论容量性能在学术界和产业界获得了大量关注。
文章总结OAM技术应用于通信的优势,例如可支持视距超多流并行传输,提升通信物理层安全,与智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface,RIS)技术结合赋能等,提出在大数据和工业互联网等应用场景下,利用OAM技术建立的超大规模无线数据中心将助力实现数据要素深度参与工业生产,提升全产业链生产效率,推动6G与产业协同发展。
【总页数】9页(P7-15)
【作者】王喜瑜;孙韵淇;菅梦楠;杨军;陈艺戬
【作者单位】移动网络和移动通讯多媒体技术国家重点实验室;中兴通讯股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN9
【相关文献】
1.光通信中轨道角动量技术及应用前景分析
2.6G移动通信技术发展与应用前景预测分析
3.6G研究进展及关键候选技术应用前景探讨
4.6G移动通信的技术应用及发展前景
5.6G热度攀升,5.5G已触手可及宁波移动举行5G-A技术应用发布会暨战略签约仪式
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轨道角动量涡旋光在分析实验中的应用在物理学中，轨道角动量涡旋光（Orbital Angular Momentum Vortex Beam）是一种特殊的光束，具有许多独特的性质和应用。
轨道角动量涡旋光是指光波的电磁场分布形态与传统的高斯光束不同，其光场呈现出涡旋状，蕴含了一定的轨道角动量。
本文将从光学的角度介绍轨道角动量涡旋光的基本概念和性质，并探讨其在分析实验中的应用。
基础理论轨道角动量涡旋光的概念源于对光波传播特性的研究。
在光学中，光波的能量主要由两部分构成：一部分是横向电场能量，另一部分是纵向磁场能量。
光波的传播方向一般被定义为z轴方向，而光波的电场和磁场方向则被描述为垂直于z轴的x轴和y轴方向。
此外，光波也可以分为线偏振光和圆偏振光两种。
线偏振光的电场和磁场振动方向分别沿x轴和y轴方向，而圆偏振光的振动方向则沿着一个圆。
轨道角动量涡旋光的特殊之处在于其光场的电场和磁场分布呈现出特殊的涡旋状。
这种涡旋状的电场和磁场分布能够产生一定的轨道角动量。
轨道角动量与光波的传播方向垂直，可以被描述为光波在传播过程中绕着自身中心轴旋转的角动量。
应用实例由于轨道角动量涡旋光具有独特的性质，它在很多领域都有着广泛的应用。
下面我们将介绍几个具体的应用实例。
1. 光场调制轨道角动量涡旋光可通过调节涡旋的数量和方向来实现光场的调制。
轨道角动量涡旋光可以使用相位调制器来产生，这种技术已经在光学通信和激光制造等领域得到了广泛应用。
通过调节涡旋的数量和方向，可以实现对光场的精确调节和控制，扩展了光学技术的应用范围。
2. 光学旋转谱轨道角动量涡旋光可以通过光学旋转谱技术来进行分析和识别。
这项技术通过对光波涡旋状态的特征分析，可以对物质的化学成分和分子结构进行定量分析。
这种技术在生物医学和环境监测等领域得到了广泛应用。
3. 宇航科学轨道角动量涡旋光在宇航科学中也有着重要的应用。
可通过分析涡旋状态来确定天体运动轨迹和质点角动量等重要参数。
研究与开发光通信中轨道角动量技术及应用前景分析*赖俊森，吴冰冰，赵文玉，张海懿（工业和信息化部电信研究院通信标准研究所北京100191）摘要：轨道角动量是未来进一步提升光网络容量的新型技术，近几年逐步成为超高速光通信领域的研究热点。
在介绍轨道角动量技术机理及最新研究进展的基础上，进一步分析了轨道角动量所面临的技术挑战，同时对其未来应用前景进行了探讨及展望。
关键词：轨道角动量；光通信；前景分析doi:10.3969/j.issn.1000-0801.2014.05.007Application and Analysis of Orbital Angular MomentumTechnology in Optical CommunicationLai Junsen,Wu Bingbing,Zhao Wenyu,Zhang Haiyi（Research Institute of Telecommunications Transmission （RITT ）,China Academy of Telecommunication Research of MIIT,Beijing 100191,China ）Abstract:Orbital angular momentum,which is considered as a promising solution for future improvement of optical network capacity,has become a research focus in ultra -high speed optical communication.The principle and latest research progress of orbital angular momentum technology in optical communication were reviewed;the challenges and application prospect of the technology were also analyzed.Key words:orbital angular momentum,optical communication,prospect analysis*国家自然科学基金资助项目（No.61171076，No.61201260），国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（No.2012AA011303，No.2013AA013402）1引言云计算、物联网、移动互联网等新兴技术和业务的高速发展对光传送网络的带宽容量提出了越来越高的要求。
随着40Gbit/s 和100Gbit/s 等波分复用（WDM ）传输系统的逐步商用，光信号电磁波属性中的强度、频率（波长）、相位和偏振态等维度均已用于信号表征来提升单纤传输容量，在现有基础上无法继续采用增加光信号电磁波表征维度的方式进行扩容，只能通过诸如光谱滤波频谱压缩、提高调制速率或者调制阶数的方法来进一步提高频谱效率，由于受到非线性香农极限和实际传输距离等限制，这些技术很难带来单纤传输容量的突破性提升，未来单纤传输容量的增加面临严峻挑战。
因为光信号具有波粒二象性，业界开始研究是否可以采用光粒子特性进行光通信传输容量扩容，其中的轨道角动量（orbital angular momentum ，OAM ）为可选参数之一。
本文在介绍OAM 技术原理和最新研究进展的基础上，进一步分析了OAM 技术在研究及应用中所面临的技术挑战，同时对于OAM 技术在未来光通信领域的应用前景进行讨论及展望。
研究与开发电信科学2014年第5期2技术原理自由电磁场空间的角动量线密度可以表示为j (r )=r ×p (r )，其中p (r )为动量密度，r 为传输距离。
对于近轴光束，角动量可分为两部分：J =乙j (r )d r =L +S ，其中，S 为与光束偏振相关自旋角动量（SAM ），L 为与光束空间相位相关的轨道角动量（OAM ）。
光子自旋角动量的本征态为左、右旋圆偏振，分别携带±h 的自旋角动量，利用光子的自旋角动量可以构建二维Hilbert 向量空间。
在相干光通信中，通过利用单模光纤中两个正交偏振态（分别对应左旋和右旋角动量）进行双偏振复用，已经实现了传输频谱效率的倍增。
Allen 等人1992年首次实验验证了轨道角动量的存在。
轨道角动量来源于光波的螺旋相位波前，故具有轨道角动量的光波也称为螺旋光（optical vortices ），其光电场中每个光子携带有mh 的轨道角动量，m 为拓扑荷（topologicalcharge ），可取任意整数，+表示左旋，-表示右旋，如图1所示。
相比于传统的高斯光束（m =0）的平面相位波前和脉冲光强分布，携带轨道角动量的螺旋光（m ≠0），典型如拉盖尔-高斯（Laguerre -Gauss ，LG ）光束，其光束沿轴向中心部分的光场平面中心存在光强暗点，接收光场的强度分布为圆环型，国外文献称甜甜圈型（doughnut shape ）。
在与高斯光束进行干涉之后，其光强分布变为螺旋条纹，其中条纹的数量表征了m 的阶数，左旋和右旋表征m 的符号。
轨道角动量具有无限个本征态，理论上可构造无限维的Hilbert 向量空间，如果能够充分利用光子OAM 这个维度进行信息调制或复用，可以显著提升单个光子携带的信息容量，进而大幅提升单波长和单纤的传输容量。
3研究进展Zeilinger 等人在2001年率先提出了OAM 在量子通信中的可能应用，Padgett 等人在2004年提出了OAM 在经典通信系统中的可能应用，但并没有提出具体实验方案。
近年来，随着带宽容量不足问题的日益凸显，理论上具有无限高阶复用维度的OAM 光通信技术逐渐受到重视，并成为超高速光通信领域的研究热点之一。
现阶段OAM 光通信的研究报道主要集中在以下3个方面：·OAM 模式的光纤传输；·OAM 信号调制与复用；·大容量OAM 空间光/光纤传输系统。
3.1OAM 模式的光纤传输Bozinovic 等人在2011年首次提出了0.9km 螺旋光纤实现双OAM 态光子传输[1]。
OAM 光可以认为是高阶模的线性相移组合，在标准单模光纤（SMF ）中，由于存在较强的模间耦合，导致高阶模在传输过程中产生模式简并，退化为基模，破坏了OAM 状态的稳定性。
采用特殊折射率分布设计的螺旋光纤，截面和折射率分布如图2所示，可以对不同模式之间的传输常数进行显著的区分使其保持正交性，减轻了模间耦合的影响，可以实现串扰小于20dB 的OAM 光纤长距离传输。
图1轨道角动量的螺旋光场、接收光强度分布和干涉条纹图2螺旋光纤的端面光强分布和等效折射率曲线（a ）截面（b ）折射率与光强分布（c ）折射率研究与开发图3基于PIC 的OAM 复用器结构Golowich 等人在2012年提出了支持OAM 光束传输的新型空气芯环型光纤结构[2]。
通过采用环型空气芯光纤结构可以增强线偏振模向量的分离度，增大折射率对比度，从而保证OAM 光的稳定传输。
实验采用大半径（大于12μm ）环型结构光纤，可以支持超过9个OAM 状态的稳定传输。
Yan 等人在2012年提出了具有方型纤芯和环型折射率分布的光纤结构[3]。
高斯光束作为基模在方型芯区传输，通过两种不同结构波导之间的模式耦合在光纤的环型折射率区域内产生OAM 光束并进行传输，控制输入信号光的相位和幅度，可以调制和复用多阶OAM 光束。
由于OAM 模式在普通单模光纤传输中将退化为基模，所以研发支持OAM 长距离传输的新型光纤是制约OAM 光通信技术发展的关键瓶颈。
目前公开报道中基于环型波导芯区结构的多种新型螺旋光纤能够实现若干OAM 模式的千米量级传输，但是其所能够支持的OAM 模式数量远少于空间光传输，并且在光纤材料、结构设计和特性分析等方面尚处于起步阶段，需要业界进一步深入研究。
3.2OAM 信号调制与复用Fontaine 等人在2012年提出了硅基光子集成电路（PIC ）的OAM 复用器[4]，圆环型孔阵列光栅耦合器级联星型耦合器，采用SMF 尾纤输出，如图3所示。
OAM 光垂直入射圆环光栅波导产生耦合，将方位角相位和幅度变化转换为空间相位分布，在星型波导耦合器中聚焦于不同的SMF 端口输出，最高可以支持32阶的OAM 光束的复用和解复用。
Huang 等人在2013年提出了用于OAM 空间光的光分插复用器[5]。
以相位模板实现特定阶数的OAM 光束和高斯光束间的转换，使用不同折射率分布的圆形光栅对OAM 光束和高斯光束进行不同方向的反射实现上下路。
对100Gbit/s 的QPSK 调制的OAM 空间光进行上下路时，引入的光信噪比（optical signal to noise ratio ，OSNR ）小于2dB 。
该课题组还提出了OAM 空间光可调滤波器[6]。
OAM 空间光通过对数极化传输分类器解复用，在汇聚透镜的焦平面的不同位置处映射为长条形的光斑，位于焦平面的空间光调制器（spatial light modulator ，SLM ）中包含可编程的反射镜阵列，对应于各个OAM 模式的空间位置，通过改变SLM 的光栅图案，可以反射不同的OAM 光束，使其二次通过分类器合束输出，从而实现OAM 光束的带通或带阻滤波。
现有OAM 调制与复用解复用技术已经能够实现不同OAM 模式之间的分插复用和动态模式转换等基本网络功能，但是复用解复用器件在OAM 模式到空间模式分布映射的过程中还存在光学器件结构复杂、尺寸过大集成度低以及多通道间隔离度较差等一系列问题。
3.3大容量OAM 空间光纤传输系统Wang 等人在2012年提出了利用4种不同角动量（m =+4,+8,-8,+16），双偏振复用的42.8×4Gbit/s 的16QAM 编码光信号调制与传输，实现25.6bit/（s ·Hz ）-1频谱效率的1.37Tbit/s 容量空间光传输[7]，原理如图4所示。
16QAM 调制的光信号，在可编程叉形衍射光栅构成的螺旋相位模板和SLM 组成的发射机中进行级联调制，将强度高斯分布的连续光光束转换为具有不同OAM 的螺旋光，不同阶数的OAM 光在空间分布上呈现为多组不同半径的同心圆环，可以进行空分复用传输，从而实现频谱效率和信道容量的提升。
Huang 等人在2013年提出了24阶OAM 光束结合42波长WDM 系统，每波长支持100Gbit/s 的QPSK 信号，总信道容量达100.8Tbit/s 的空间光传输系统[8]，系统结构和复用原理如图5所示。
