OAM轨道角动量调制

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matlab光场的oam谱分解

【matlab光场的oam谱分解】随着光学和光子学领域的不断发展，光场的研究已经成为了热门话题之一。

其中，oam（轨道角动量）谱分解作为光场分析中的重要一环，对于了解和研究光场的特性至关重要。

在本文中，我们将以matlab为工具，深入探讨光场的oam谱分解。

1. oam的基本原理在开始讨论oam谱分解之前，首先需要明确oam的基本原理。

oam是光场的一种新颖表征方式，它描述了光波沿传播方向旋转的角动量。

oam的大小通常用整数l来表示，l=0,±1,±2,…，对应着不同的面波模式。

通过oam的引入，我们可以更好地理解和描述光场的旋转特性，以及在光学通信、光学操控等方面的应用。

2. matlab在光场oam谱分解中的应用matlab作为一种强大的科学计算软件，对于光学领域的研究起着重要的作用。

在进行光场的oam谱分解时，matlab提供了丰富的工具和函数，能够帮助研究者快速进行数据处理和分析。

通过调用matlab中的相关函数，可以实现对光场oam谱分布的计算、可视化和分析，为研究者在理论和实验方面提供了便利。

3. oam谱分解的计算方法在进行oam谱分解时，常用的计算方法包括傅里叶变换方法、光学系统传递函数方法等。

这些方法通过将光场表示为oam基底上的展开系数，从而实现了对光场的oam谱分解。

通过matlab提供的丰富函数和工具，研究者可以采用不同的计算方法，对光场的oam谱进行分析和计算。

4. oam谱分解的应用及意义oam谱分解在光学领域有着广泛的应用及重要的意义。

在光通信系统中，oam谱分解可以用于多模态光纤传输和编码；在光学成像领域，oam谱分解可以用于超分辨成像等。

通过对光场的oam谱分解，我们可以更好地理解和利用光场的特性，为光学领域的应用和研究提供了重要的支持。

5. 个人观点和理解在我看来，oam谱分解作为光场分析的重要工具，对于光学领域的研究和应用具有深远的意义。

光纤通信系统中新型OAM复用模式的产生

V=Q
〇〇〇
〇〇〇 m —〇〇〇
o 〇〇
■e
^^^
%
液品分于—〇 o o
ODD
(a)
(b )
图 1 SLM相位调制原理图
图 1 给出了 SLM相位调制原理图，其中 ne、 n o 为液晶的
主折射率。通过给 SLM 加载不同灰度分布的图片，可以控制
SLM像素电极上的电压，使两个电极之间形成电势差，从而改
轨道角动量 (OAM) 是具有相位因子 exp(jl0)的祸旋光束特有的物理属性，其光场等相位面为螺旋面，玻印亭矢量轨迹是螺旋线，因此强度分布呈现以z 轴为对称轴的环状。拓扑荷 1是区别 OAM 本征模式的唯一变量，它可以在任意整数区间取值。这些相互正交的 OA M 模式能够作为光纤传输系统中新的复用维度，理论上可以进行无限复用，称为 OAM 复用。近年来利用 OAM 复用与波分复用、极化复用并行实施，可获得了传输率达1〇〇 Tbit/s 的髙速通信[3]。但是 OAM 复用技术在提髙系统容量的同时，也带来了一系列亟待解决的问题，比如:髙转换效率的OAM 模式激励、复用解复用、放大、串扰等问题，尤其是髙质量OAM模式的激励。常见的 OAM模式激励方法主要包括微腔、波导以及基于空间光调制器（SLM) 方法[4]。其中由于 SLM 仅通过计算机软件编程的方式即可以改变光模场的相位分布，有可能达到最好的模式激励效果，因此成为目前 OAM 模式激励中最常用的方法。为此，本文基于纯相位 SLM 的 OAM 模式激励原理，搭建了垂直入射型OAM 模式激励实验平台，实现了高质量的 O A M 模式的产生。这将对于将 OAM复用技术应用于下一代多维复用技术共存的光纤通信系统提供高质量的光源打下基础。

基于轨道角动量谱分解的多通道水声通信及系统实现

ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ. ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＡＳＣＩＩｃｏｄｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｄａｔａꎬｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｉｇｎａｌｓｏｆａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅ
ｕｓｅｄｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｒｒａｙｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｍｕｌｔｉ￣ｃｈａｎｎｅｌＯＡＭ￣ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｂｅａｍ. Ｔｈｒｏｕｇｈｃｉｒｃｕｌａｒａｃｏｕｓｔｉｃｓａｍｐｌｉｎｇ
[ 摘要] 水声通信能够实现信息的长距离传输ꎬ在深海探索和军事领域发挥重要作用. 然而ꎬ由于换能器带宽
和声波波长的影响ꎬ水声通信的发展与应用受到传输衰减大和信道容量低以及频谱利用率不足的限制. 本文结
合复用涡旋声束( ＡＶ) 和轨道角动量( ＯＡＭ) 谱分解技术ꎬ研究了基于环形收发阵列的多通道水声通信方法ꎬ并
系统实现. 基于发送数据的ＡＳＣＩＩ编码ꎬ利用全息信号的幅度和相位调制ꎬ驱动环形换能器阵列发射沿轴传输的
多通道ＯＡＭ复用涡旋声束ꎬ并通过环形换能器阵列的信号采样和ＯＡＭ谱分解完成复用涡旋声束的ＯＡＭ模态
解码ꎬ实现了高效的并行数据传输. 构建了８声源环形收发阵列和全息相控系统ꎬ开展了６通道水声通信研究ꎬ
— １０３ —
第４７卷第１期(２０２４年)
南京师大学报( 自然科学版)

ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｎｕｍｂｅｒｂａｓｅｄｏｎＯＡＭｓｐｅｃｔｒｕｍｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎ学基金项目(１１９３４００９、１１９７４１８７、１２１７４１９８、１２２２７８０８) 、江苏省自然科学基金项目( ＢＥ２０２２８１４) .

轨道角动量技术在光通信网络中的应用研究

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

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。

具有轨道角动量的涡旋光束的实验产生与研究

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

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谱方法matlab代码

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。

《涡旋光束空间通信OAM模式测量方法研究》

《涡旋光束空间通信OAM模式测量方法研究》一、引言随着科技的不断进步，光束的空间结构和属性已经成为众多研究领域中一个重要的研究对象。

其中，涡旋光束作为一种具有独特属性的光束，在通信、物理、化学等领域中得到了广泛的应用。

而OAM（轨道角动量）模式则是涡旋光束中最为重要的一种模式。

在空间通信中，OAM模式的测量方法对于提高通信的效率和安全性具有重要意义。

因此，本文将重点研究涡旋光束空间通信中OAM模式的测量方法。

二、涡旋光束与OAM模式概述涡旋光束是一种具有螺旋相位波前的光束，其电场或磁场在空间中呈现出螺旋状分布。

而OAM模式则是描述涡旋光束中光子轨道运动状态的一种物理量。

在空间通信中，利用涡旋光束的OAM模式可以有效地提高通信的容量和安全性。

然而，要实现这一目标，首先需要对OAM模式进行准确的测量。

三、现有OAM模式测量方法分析目前，针对OAM模式的测量方法主要有两种：干涉法和衍射法。

干涉法主要通过测量涡旋光束与其他光束的干涉图样来推断出OAM模式。

而衍射法则通过测量涡旋光束在通过特定孔径后的衍射图样来分析其OAM模式。

这两种方法各有优缺点，如干涉法精度高但操作复杂，衍射法操作简单但易受噪声干扰等。

因此，需要进一步研究和改进现有的测量方法。

四、涡旋光束空间通信中OAM模式测量新方法针对现有方法的不足，本文提出了一种新型的OAM模式测量方法。

该方法结合了干涉法和衍射法的优点，通过设计一种特殊的测量装置来实现对涡旋光束的精确测量。

具体而言，该方法包括以下步骤：首先，利用光学元件产生一束已知的参考光束和一束待测的涡旋光束；然后，通过特殊设计的干涉装置将两束光束进行干涉，形成一系列的干涉图样；最后，通过图像处理技术对干涉图样进行分析，从而得到涡旋光束的OAM模式。

五、实验与结果分析为了验证新方法的可行性和有效性，我们进行了大量的实验。

实验结果表明，该方法能够准确地测量出涡旋光束的OAM模式，且具有较高的精度和稳定性。

轨道角动量态复用系统

2. 提高通信带宽：通过信号复用和角动量分离技术，可以实现多用户同时传输的通信服务，提高了通信系统的带宽和传输速率。
3. 降低通信成本：由于多个通信信道可以通过同一卫星进行传输，可以减少卫星数量和发射次数，降低了通信系统的建设和运营成本。
4. 提高通信质量：轨道角动量态复用系统采用数字信号处理技术，可以对信号进行精确的调整和处理，提高了通信质量和可靠性。
轨道角动量是指光波围绕其传播方向旋转的角动量，不同轨道角动量的光波具有不同的波前相位结构和磁场分布，可以被用来编码数字信号。在OAM-SMS系统中，发送端将信息信号转换成不同轨道角动量的光波，通过空气传输或光纤传输到接收端，再通过光波的光波前结构解码得到原始信息信号。
OAM-SMS系统相比传统的光通信系统具有很多优势。由于轨道角动量的离散性和多样性，OAM-SMS系统可以实现更大的信息容量传输。研究表明，OAM-SMS系统的信息容量可达到传统光通信系统的数倍甚至数十倍。OAM-SMS系统具有更高的抗干扰性能，可以在复杂环境下稳定传输信息。由于光波的轨道角动量可以根据需求进行调整，OAM-SMS系统也具有较高的灵活性和可配置性。
OAM-SMS系统还具有较低的能耗和成本。传统的光通信系统需要使用复杂的电子器件进行信号调制和解调，而在OAM-SMS系统中，信息传输是通过光波的轨道角动量来实现的，减少了电子器件的使用统已经在实验室中取得了很好的效果，并且正在逐步向实际应用领域推进。在无线通信、光子网络和云计算等领域，OAM-SMS系统都有着广泛的应用前景。未来，随着OAM-SMS技术的不断创新和完善，相信这种新型通信系统将为人类的信息传输带来全新的革命。
3. 创新技术突破：通过结合光子计算、量子通信等新兴技术，不断拓展轨道角动量态复用系统的应用范围，并实现更强的系统性能。

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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：
' u (r, , z) u (r, , z) r drd { m n 0, nm |u m | rdrd , nm
2
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。
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
f n Iei[ka sin cos( n ) n ]
n 1
N

当 N ，上式可写为：fn K1eiH J H (Ka sin ) 。其中 K1 N 和 H n n 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：n l n ln ，则 H ln l ，相位因子eiH n il il 转化为 e ，含有螺旋相位项 e 。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。
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： U al ul eil ，以此作为信息载体。 i 1 式中叠加的光束数M、拓扑荷 l 、幅值 u l 和权重系数 al 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。
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。
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)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
OAM 95.5bit· s-1·Hz-1 2.56 Tbit·s-1
LTE 16.32bit· s-1·Hz-1 326.4 Mbit·s-1
802.11n 2.4bit· s-1·Hz-1 144.4 Mbit·s-1
TVB-T 0.55bit· s-1·Hz-1 31.668 Mbit·s-1
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 l ' 电波。模式数 l 与高度差 h ' 关系为： h 2
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：
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。
（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
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
2.2 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
1 l |1 2 P( ) | 2
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，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。
频谱利用率
传输速率
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 exp(il ) l ，通常是整数，又被称作光学涡旋的拓扑荷（topological charge,简称TC）。
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。
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 log2 N 个比特的信号。
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。
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基于OAM-DM的传输实例
光束轨道角动量调制原理图
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，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。

优点：高比特率高光谱效率低误码率

缺点：
系统复杂成本高
2.3 产生方式