你真的了解電磁波嗎？——軌道角動量發展
提到電磁波特征你會想到什么？幅度？相位？頻率？除此之外還有什么？你以為電磁波真的只是紙上畫的各種各樣的正弦波嗎？你知道電磁波是矢量特征嗎？本文將對基于電磁波矢量特征的軌道角動量特征的發展進行介紹，帶你了解電磁波不為人知的另一面。
根據經典電動力學理論，電磁輻射既攜帶線動量也攜帶角動量，其中，角動量是由自旋角動量（Spin Angular Momentum，SAM）和軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）組成的。自旋角動量僅與光子的自旋有關，表現為圓偏振狀態。
圖1 自旋角動量示意圖
軌道角動量表示電子繞傳播軸旋轉，是由能量流（由坡印廷矢量描述）圍繞光軸旋轉而產生的，它使電磁波的相位波前呈渦旋狀，因此，攜帶有軌道角動量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。
圖2 軌道角動量示意圖
將軌道角動量應用在電磁波中，在正常的電磁波中添加一個相位旋轉因子，此時電磁波波前將不再是平面結構，而是繞著波束傳播方向旋轉，呈現出一種螺旋的相位結構。渦旋波每繞傳輸軸旋轉一圈，相位波就前進。
圖3 不同下的波前和等相位面圖
1992年，Allen[1]等人證實了軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，人們由此開始探討軌道角動量的應用。最初對軌道角動量的應用主要在光通信領域。2014年，在維也納實現了攜帶OAM的光波在自由空間中的3km傳輸，其誤碼率小于1.7%[2]
圖4 在維也納進行的OAM傳輸實驗
2007年，瑞典空間物理研究所Thidé B[3]教授等人***提出將光子OAM應用于低頻，通過仿真驗證了可以使用相控陣列天線產生渦旋電磁波，開創了將軌道角動量應用于無線通信中的先河，提出了將渦旋電磁波用于擴大無線通信容量的設想。
Mohammadi S M等人[4]利用相控陣列天線產生了渦旋電磁波，并在29.98MHz處進行了實驗，并且提出，當圓形陣列天線直徑越大時，波瓣圖中兩個對稱主瓣之間的夾角減小，圖案變得更加準直，并且旁瓣數量增加，由于旁瓣的角度比主瓣寬的多，所以它們不會沿著波束軸被檢測到，但是旁瓣的增加會導致能量的分散，因此可以通過合理設計天線直徑來控制OAM傳播的方向性。除了相控陣列天線以外，在無線通信領域還有很多種渦旋波生成方法，例如階梯型反射面天線[4,5]、螺旋拋物面天線[6-9]、時間開關相控陣列天線陣列法[10]等。
圖5 螺旋拋物面天線
目前在無線通信領域，對OAM的研究主要集中在如何利用復用技術提高頻譜利用率和傳輸效率。2011年，Fabrizio Tamburini等人在意大利威尼斯采用螺旋拋物面天線和八木天線***次驗證了渦旋波在無線通信復用傳輸中的可能性，該實驗經過442米傳輸[11]。文獻[12]利用不同狀態的OAM進行復用傳輸，可達到***32Gbit/s的傳輸速率和16Gbit/s/Hz的頻譜效率。
圖6 威尼斯實驗
在光纖通信領域，由于現網中廣泛使用的是單模光纖傳輸，而傳統單模光纖支持的傳輸模式必須是基模，具有螺旋相位波前的渦旋波在單模光纖中傳輸是會由于模式簡單簡并退化成平面波，目前只能依賴特殊光纖傳輸OAM信道。2013年，Alan E. Willner團隊利用特殊設計的光纖來傳輸OAM光束，實現了1.6 Tbit/s的光信息傳輸，傳輸光纖長為1.1km，這項研究為未來基于OAM的光通信技術的光纖傳輸提供了可能[13]。但是特殊光纖的設計、制作成本較高，不利于推廣使用，也不利于與現有網絡進一步融合。因此，要把OAM技術應用于光纖通信領域還是有一定難度的。
結語
軌道角動量特征作為電磁波的矢量特征具有很廣闊的發展前景，不但可以用于提高頻譜利用率，增大傳輸速率，還以其良好的方向性在無線傳輸安全保密通信領域具有極大的研究價值。
參考文獻
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[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.
【本文為51CTO專欄作者“中國保密協會科學技術分會”原創稿件，轉載請聯系原作者】
