提到电磁波的特性，你会想到什么？振幅？阶段？频率？还有什么？你以为电磁波真的只是画在纸上的各种正弦波吗？你知道电磁波是矢量特征吗？本文将介绍基于电磁波矢量特性的轨道角动量特性的发展历程，带你了解电磁波不为人知的一面。根据经典电动力学理论，电磁辐射同时携带线动量和角动量，其中角动量由自旋角动量（SpinAngularMomentum，SAM）和轨道角动量（OrbitalAngularMomentum，OAM）组成。自旋角动量只与光子的自旋有关，表现为圆偏振态。图1自旋角动量示意图轨道角动量表示电子绕传播轴的旋转，它是由能量流（用Poynting矢量描述）绕光轴旋转产生的，这使得电磁波的相前波涡，所以，携带轨道角动量的电磁波又称为涡旋电磁波。图2轨道角动量示意图将轨道角动量施加于电磁波，在正常电磁波上增加一个相位旋转因子。这时，电磁波阵面将不再是平面结构，而是绕着光束传播方向旋转，呈现出螺旋相结构。涡旋波每绕传输轴旋转一次，相位波就前进一次。图3.不同条件下的波前和等相表面图。1992年，艾伦[1]等人。证实了轨道角动量（OAM）的存在，人们开始讨论轨道角动量的应用。轨道角动量最初的应用主要是在光通信领域。2014年在维也纳实现了携带OAM的光波在自由空间的3km传输，误码率小于1.7%[2]图4维也纳OAM传输实验2007年，瑞典科学院ThidéB空间物理学[3]教授]等人提出将光子OAM应用于低频，并通过仿真验证相控阵天线可以产生涡旋电磁波，开创了将轨道角动量应用于无线通信的概念扩大无线通信的容量。MohammadiSM等[4]采用相控阵天线产生涡旋电磁波，并在29.98MHz进行实验，提出当圆阵天线直径较大时，两个对称主瓣在瓣中的差值图随着它们之间的角度减小，方向图变得更加准直并且旁瓣的数量增加。由于旁瓣比主瓣宽很多，沿波束轴不会被检测到，但旁瓣的增加会导致能量的色散，因此可以通过合理设计OAM传播的方向性来控制天线直径。除了相控阵天线，无线通信领域还有很多产生涡旋波的方法，如阶梯反射面天线[4,5]、螺旋抛物面天线[6-9]、时间切换相控阵天线等。[10]等。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，FabrizioTamburini等人。在意大利威尼斯使用螺旋抛物面天线和八木天线首次验证了涡流波在无线通信复用传输中的可能性。实验传输了442米[11]。文献[12]利用不同状态的OAM进行复用传输，可以实现高达32Gbit/s的传输速率和16Gbit/s/Hz的频谱效率。图6威尼斯实验在光纤通信领域，由于单模光纤传输在当前网络中应用广泛，传统单模光纤支持的传输模式必须是基模，而具有螺旋相位波阵面在单模光纤中传输，由于模式的简单和简并，会退化为平面波。目前只能采用专用光纤来传输OAM信道。2013年，AlanE.Willner的团队使用专门设计的光纤传输OAM光束，实现了1.6Tbit/s的光信息传输，传输光纤长度为1.1km。提供了可能性[13]。但特种光纤的设计和生产成本较高，不利于推广使用，也不利于与现有网络的进一步融合。因此，将OAM技术应用到光纤通信领域还存在困难。结论轨道角动量特征作为电磁波的矢量特征具有广阔的发展前景。它不仅可以用于提高频谱利用率和提高传输速率，而且由于其良好的方向性，在无线传输安全和保密通信领域具有巨大的研究潜力。价值。参考文献[1]AllenL,BeijersbergenMW,SpreeuwRJ,etal.光的轨道角动量与拉盖尔-高斯激光模的变换[J].PhysicalReviewAAtomicMolecular&OpticalPhysics,1992,45(11):8185.[2]KrennM,FicklerR,FinkM,etal.通过维也纳的湍流空气与空间调制光通信[J]。新物理学报,2014,16.[3]ThidéB，ThenH，SjholmJ，etal．低频无线电域中光子或比特角动量的利用[J].PhysicalReviewLetters,2007,99(8):87-91.[4]MohammadiSM,DaldorffLKS,BergmanJES,etal.无线电中的轨道角动量——系统研究[J]．IEEETransactionsonAntennas&Propagation,2010,58(2):565-572.[5]BoT,TamburiniF,MariE,etal.射电波束涡量和轨道角动量[J]．Physics,2012.[6]FabrizioTamburini、ElettraMari、AnnaSponselli等。通过无线电在同一频率编码多个频道涡度：第一次实验测试[J].新物理学杂志,2011,14(3):811-815.[7]VaishnaviV,PriyaVG,SharmilaDA,etal.焦平面阵列中螺旋调制的模拟[C]//国际通信与信号处理会议。IEEE,2014:1414-1418.[8]SinghRP,PoonachaPG.Surveyoftechniquesforachievingtopologicaldiversity[C]//通信。IEEE，2013：1-5.[9]TamburiniF、ThidéB、BoagaV等。使用相位调制轨道角动量无线电的自由空间信息传输实验演示[J]。Physics,2013.[10]TennantA,AllenB.GenerationofradiofrequencyOAMradiationmodesusingcirculartime-switchedandphasedarrayantennas[C]//天线和传播会议。IEEE,2013:1-4.[11]FabrizioTamburini、ElettraMari、AnnaSponselli等。通过无线电涡度在同一频率编码多个信道：第一次实验测试[J].新物理学报,2011,14(3):811-815.[12]ZhaoZ,YanY,LiL,etal.双通道60GHz通信链路使用贴片天线阵列生成承载数据的轨道角动量波束[C]//IEEE国际通信会议。IEEE，2016：1-6。[13]NenadBozinovic，SiddharthRamachandran。光纤中太比特级轨道角动量模分复用[J].科学（纽约州纽约市），2013年，340(6140):1545-8。【本文为《中国保密协会科技分会》专栏作者原创稿件，转载请联系原作者】点此查看该作者更多好文
