OAM轨道角动量调制剖析

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。

光子轨道角动量传输光纤技术戚卫;罗文勇;杜城;余志强;李尚远;伍淑坚【摘要】为解决信息量快速增长带来的传输容量不足问题,提出了一种可用于光子轨道角动量(OAM)传输的新型光纤,并对其研制技术进行了研究.采用等离子体化学气相沉积(PCVD)技术解决了高折射率环形纤芯结构光纤预制棒应力损伤难题,通过反复的工艺研究与验证,形成了环形纤芯光纤高稳态拉丝工艺技术,实现了该光纤的研制.该光纤具有环形结构,在实现±1、±2阶OAM信号传输的同时,光纤的传输损耗仍能保持较低的水平,可满足较长距离的OAM大容量信号传输需求.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】4页(P62-65)【关键词】大容量通信;轨道角动量传输;光纤【作者】戚卫;罗文勇;杜城;余志强;李尚远;伍淑坚【作者单位】烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074;清华大学信息科学与技术国家实验室,北京 100084;烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TN818近年来,随着信息技术的快速发展,信息系统容量的巨大需求与光通信系统容量的不匹配增长之间的矛盾日趋明显。

因此,各国研究人员极力开发新的通信技术,以解决信息技术发展将会面临的传输容量危机。

基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式的复用技术开发了新的应用维度,有潜力使光通信系统的传输容量呈几何级数增长。

基于光子OAM的通信方案最早由英国格拉斯哥大学在2004年提出[1]。

其后,随着信息量增长的速度大幅超过现有光通信技术容量增长的速度,这一将空间维度作为光波维度资源大幅增加通信容量的方案引起了科研人员的广泛关注。

光纤是OAM光通信的基础材料之一,也由此进入人们的研究视野。

OAM 光通信路由器件分析发布时间：2022-01-11T09:27:09.644Z 来源：《现代电信科技》2021年第13期作者：梁君泽[导读] 现如今，社会大众在通信业务上的需求规模迅速扩大，要求通信过程达到高速与大容量的效果。

（广州芯德通信科技股份有限公司 510663）摘要：本文简述 OAM，分别概述其功能以及运用在光通信方面的表现。

重点分析相应的路由器件，包括支持信道转换、信道多播及跳转等功能的器件，探讨运行原理与优缺点等。

以供参考。

关键词： OAM；路由器件；多播引言：现如今，社会大众在通信业务上的需求规模迅速扩大，要求通信过程达到高速与大容量的效果。

从市场变化趋势来看，此类诉求还会继续扩张，这对于现代信息通信来说，带来深化发展的动力，同时也将面对严峻挑战。

一、OAMOAM 涉及到操作及维护管理的功能，其中，操作功能是判断网络状态、警报提醒及控制；维护则为保证网络和相应业务平稳运行，而开展的测试及故障分析等过程；管理是针对路由器网络与业务，实施预测及分配等。

布置 OAM 能够检测网络环境，让相应管理者掌握运行状态，及时处理故障问题。

其能在异常情况激化之前，发现异常点，实施隔离处理，以防止干扰整个网络。

OAM 在最初运用于传输网时，便借助不同管理系统，获取所处传输网的运行数据。

以角动量的标准来看，分成 SAM 以及 OAM 两类，前者和波束偏振有联系，后者则强调空间分布。

单就理论层面来说， OAM 光束为对应光通信系统的构成条件。

如今，形成 OAM 光束的方法包括有源与无源两种。

前者借助激光腔实现，让激光处于设定模式中进行震荡，取得品质较高的光束。

而后者是运行于激光腔外，利用螺旋相位板及数字微透镜等转换装置，把高斯光变为 OAM 光束。

对比来看，后者的实现难度更低，尤其是在各类衍射光学元件上的表现，更为灵活。

能根据具体通信需要，更改相应光学元件上的有关数据，调节 OAM 光束。

所以，无源方式的应用率更高。

具有轨道角动量的涡旋光束的实验产生与研究涡旋光束是一种具有相位结构exp（7）il?（8）的特殊光场,其中?为方位角,l为拓扑荷数,该光束波前为螺旋形,且在光束传播方向上的轴向中心光强为零,它是现代奇点光学的一个重要研究分支。

涡旋光束的光束结构具有一系列特殊的物理性质,如强度呈环形分布、具有很小的中心暗斑尺寸、无加热效应、无衍射效应等,其中最重要的一个特性是在光束向前传播的过程中,围绕光轴的每个光子携带与螺旋相位结构相关的光子轨道角动量（OAM）量子数l,因此该光束在激光光学、光摄技术、光通信、光学成像技术、信息传递与加密、原子分子光学和冷原子系统中均具有广泛的应用。

本文对具有OAM的涡旋光束的产生、检测与聚焦进行了相关的理论与实验研究,主要研究内容如下:（1）涡旋光束OAM的一种新型干涉检测方法:虽然涡旋光束具有螺旋相位结构,但是在强度分布上我们只能观察到其圆环形结构,并不能直接判断涡旋光束的OAM,因此涡旋光束的OAM检测成为了一项重要的必备技术。

本文提出了一种在实验上利用光束干涉实现涡旋光束OAM简易检测的新方法。

其基本原理是基于反射式相位型空间光调制器（SLM）的不完全调制,实验上在使用SLM产生涡旋光束时,仅仅由调制的涡旋光束和未能完全调制的入射高斯光束即可直接发生同轴干涉,产生完美的花瓣状对称干涉图案,且此干涉花瓣的数量与调制的涡旋光束携带的OAM值一致,所以在检测由空间光调制器产生的涡旋光束的OAM时并不需要另外使用一束参考干涉光。

我们实验上分析了具有整数OAM的Bessel-Gaussian光束和高阶多环Laguerre-Gaussian光束的干涉图案,以及具有分数OAM的涡旋光束的干涉图案。

此干涉图案结构不仅能反映涡旋光束的OAM的大小和符号,还能反映Laguerre-Gaussian光束的径向因子,以及分数OAM光束的干涉光场模式和螺旋相位结构的演变。

此方案光路简单,干涉模式清晰稳定,对称性高。

基于 LFM 信号的涡旋电磁波成像与探测实验报告摘要：具有螺旋相位分布的涡旋电磁波可以获得更多的目标特征信息，这对于小运动场景的目标成像以及旋转物体探测具有重要意义，因此逐渐在雷达领域展开研究。

线性调频信号(LFM)是一种被广泛用于雷达成像的信号，本文仿真验证了涡旋电磁波对目标旋转多普勒的探测，为下一步对复杂运动目标的研究提供实验支撑。

关键词：涡旋电磁波；雷达成像；LFM；OAM1 引言平面波雷达对方位信息解耦需要确保雷达与目标之间的相对位置改变量足以引起回波多普勒变化，这导致在小运动场景中无法有效成像。

进行轨道角动量调制的涡旋电磁波相位结构呈螺旋状分布，利用其照射目标物体时，表面会呈现出不同的反射散射特性，相当于对目标进行了波束分集照射，从而雷达接收回波中会包含更多的目标分布信息，因此涡旋成像拥有更大的应用潜力。

本文以均匀圆阵作为涡旋电磁波成像模型，LFM为发射信号格式，实现了涡旋电磁波对不同距离、不同方位、不同径向速度目标的方位距离以及距离速度的二维成像，证明了涡旋波的成像潜力，并仿真验证了旋转多普勒频移，为下一步涡旋成像与探测的仿真实验设计提供帮助。

2 理论分析涡旋电磁波指的是进行了轨道角动量(OAM)调制的微波，轨道角动量(OAM)是电磁波本身具有的基本物理量，其与自旋角动量(SAM)共同构成电磁波的角动量(AM)；涡旋电磁波携带的轨道角动量称为模态数，则波表达式如下:(1)其中为传统平面波的复振幅，由式(1)可知，涡旋电磁波是基于传统电磁波进行空间相位调制形成的,且相位随角度周期变化，变化速率与模态数正相关。

由于螺旋状的相位分布可提供更多的目标散射信息，并且由于辐射场分布确定，因此具有更高的成像效率。

文献[1]建立的均匀圆形阵列(UCA)由N个单元组成，通过对每个单元附加相移，就可产生模态为的涡旋电磁波，其中为第n个阵元的方位角，，圆阵结构如图1所示。

图1 基于UCA的成像模型假设空间中点P坐标为，则该点处场强可表示为下式：(2)其中为磁导率常数，为角频率，k为波数，a为阵列半径，为l阶第一类贝塞尔函数。

OAM（Orbital Angular Momentum，轨道角动量）是光学领域中的重要概念，它是描述光波旋转状态的一种物理量。

在光通信、光传感和光学成像等领域，OAM近年来备受关注，并被广泛应用。

在OAM 通信系统中，通过改变光波的OAM值，可以实现多通道传输和高密度信息传输。

研究OAM的生成和解析方法对于光通信系统的设计和优化具有重要意义。

在OAM的研究中，OAM光的生成方法是一个重要的问题。

目前有多种OAM生成方法，如涡片光绕射、光学腔和相位调制等。

其中，基于相位调制的OAM生成方法被广泛应用，并且具有灵活性和可调性的优势。

在实际应用中，往往需要设计相应的OAM生成装置以实现特定的OAM值。

针对OAM的生成方法，可以使用Matlab等编程语言编写相应的代码进行模拟和仿真。

使用Matlab代码可以方便地模拟不同的OAM生成装置和分析其性能。

下面将介绍一种基于相位调制的OAM生成方法，并给出对应的Matlab代码作为示例。

1. 确定OAM所需的相位调制模式在进行OAM生成前，首先需要确定所需的相位调制模式。

可以根据所需的OAM值和光波的波长计算出相应的相位调制模式。

在Matlab 中，可以定义相应的相位函数，并将其作为相位调制装置的输入。

2. 模拟相位调制装置在确定相位调制模式后，可以使用Matlab对相应的相位调制装置进行模拟。

在模拟过程中，可以考虑到光波的传播特性和装置的物理参数，如衍射、色散和非线性效应等。

通过模拟可以得到OAM光的具体生成方案。

3. 分析和优化OAM生成装置在得到OAM光的生成方案后，可以对其进行分析和优化。

可以通过Matlab代码对生成装置的性能进行分析，如OAM值的准确度、传输效率和稳定性等。

通过分析可以发现潜在的问题并进行相应的优化。

4. 实际应用在完成OAM生成装置的分析和优化后，可以将其应用到实际的光通信系统中。

通过Matlab代码可以对系统的整体性能进行仿真和评估，如系统的传输距离、传输速率和抗干扰能力等。