渦旋電磁波無(wú)線通信：數(shù)據(jù)傳輸“高速公路”

封面解析

封面展示了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信的多種場(chǎng)景及其特點(diǎn)，其中主要展示了在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中的星間、星地、深空，以及未來(lái)超視距星際通信場(chǎng)景。在星間通信場(chǎng)景中，無(wú)線通信面臨的挑戰(zhàn)包括多普勒頻移、精準(zhǔn)跟瞄和宇宙背景噪聲等問(wèn)題；星地通信則需進(jìn)一步克服由大氣環(huán)境和地理位置帶來(lái)的影響；深空通信場(chǎng)景下，通信系統(tǒng)則面臨發(fā)散問(wèn)題?；跍u旋電磁波，尤其是以渦旋光和拓展結(jié)構(gòu)光作為主要載體的無(wú)線通信技術(shù)，具有能量密度高、體積小、抗湍流、傳輸容量大等特點(diǎn)，在未來(lái)衛(wèi)星無(wú)線通信的多個(gè)場(chǎng)景中具有應(yīng)用前景。

基于渦旋電磁波的無(wú)線通信技術(shù)

作者 | 王健, 王仲陽(yáng), 劉勁峰, 汪朔.

在過(guò)去幾十年里，無(wú)線通信技術(shù)的快速進(jìn)步及傳統(tǒng)方案面臨的挑戰(zhàn)帶動(dòng)了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信需求的不斷增加，特別是在無(wú)線信號(hào)覆蓋不足的鄉(xiāng)村、山區(qū)和海洋區(qū)域，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以相互補(bǔ)充，共同提供高帶寬低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。然而，衛(wèi)星無(wú)線電磁波通信仍然面臨許多挑戰(zhàn)，其中帶寬和容量問(wèn)題最為嚴(yán)峻。為開發(fā)電磁波新的維度資源，促進(jìn)無(wú)線通信技術(shù)可持續(xù)擴(kuò)容，結(jié)構(gòu)化電磁波近年來(lái)逐漸走進(jìn)視野。

攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）的渦旋電磁波是結(jié)構(gòu)化電磁波的一個(gè)典型例子，不同階數(shù)的OAM之間具有正交性，因此可以像波長(zhǎng)一樣用于復(fù)用和攜帶信息，在無(wú)線通信系統(tǒng)中利用渦旋電磁波，能夠有效提升通信系統(tǒng)的容量，為大容量無(wú)線通信和信息處理提供了新的方法和策略。

電磁波譜從長(zhǎng)波長(zhǎng)低能量的無(wú)線電波到短波長(zhǎng)高能量的伽馬射線，可分為無(wú)線電波、微波、紅外、可見光、紫外、X射線和伽馬射線，如圖1所示。無(wú)線通信依賴于電磁波譜中的特定頻段來(lái)傳輸信息，例如無(wú)線電波、微波、太赫茲、紅外和可見光頻段，這些頻段的電磁波可以攜帶信息，在自由空間進(jìn)行通信而無(wú)需物理連接。

圖1 電磁波頻譜示意圖

攜帶OAM模式的渦旋電磁波具有方位角相位項(xiàng)為exp(i?θ)的螺旋相位波前，其中?為OAM拓?fù)潆姾蓴?shù)或OAM的階數(shù)，?可取正值（順時(shí)針）、負(fù)值（逆時(shí)針）和零值（無(wú)螺旋相位，如傳統(tǒng)平面波或高斯波的束腰位置）。OAM模式的螺旋相位結(jié)構(gòu)使其中心為相位奇點(diǎn)，因此呈現(xiàn)出中心電場(chǎng)強(qiáng)度為零的環(huán)狀分布，圖2示意了攜帶不同階數(shù)的OAM模式的相位波前、橫向相位分布和強(qiáng)度分布。

圖2 具有不同階數(shù)的OAM模式的相位波前、橫向相位分布和強(qiáng)度分布

目前在無(wú)線電及微波領(lǐng)域已經(jīng)有許多渦旋電磁波產(chǎn)生方案，例如，螺旋相位板（SPP）天線、均勻圓形陣列（UCA）天線和超表面等。此外，在光波范疇，OAM模式的產(chǎn)生可分為有源和無(wú)源，其中有源的方法是利用激光腔直接產(chǎn)生OAM光束，而無(wú)源方法主要有衍射光學(xué)元件、變換光學(xué)方法、SPP、Q板、J板、數(shù)字微鏡器件（DMD）、空間光調(diào)制器（SLM）、光纖器件、光子集成器件、超材料、超表面等。2018年，華中科技大學(xué)王健教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種反射增強(qiáng)型表面等離子體超表面，不僅能夠在超出傳統(tǒng)空間光調(diào)制器能力范圍的2 μm處（中紅外波段）產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，還能在無(wú)需分離出參考光的情況下產(chǎn)生自參考強(qiáng)度螺旋。

在渦旋電磁波通信系統(tǒng)中，接收端需要對(duì)OAM模式進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)信息的解調(diào)，通?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)OAM模式施加相反階數(shù)的螺旋相位，將OAM模式轉(zhuǎn)換為類高斯模式，并經(jīng)過(guò)空間濾波得到所需要的信號(hào)。

未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)擴(kuò)容的一種潛在手段是采用渦旋電磁波，OAM模式有多種取值且彼此正交，這種正交性允許在同一通道內(nèi)復(fù)用不同的OAM模式，以此提高信道容量和頻譜效率。針對(duì)不同頻段的OAM模式電磁波通信，已有廣泛的研究。 

太赫茲電磁波能夠提供遠(yuǎn)超傳統(tǒng)無(wú)線電和微波的帶寬，使得太赫茲波無(wú)線通信在滿足高速、大容量和安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠓矫嬲宫F(xiàn)出巨大的潛力。2022年，美國(guó)南加州大學(xué)Willner教授團(tuán)隊(duì)利用結(jié)構(gòu)化的太赫茲（THz）波束攜帶OAM進(jìn)行復(fù)用，為大容量太赫茲通信提供了新途徑。通過(guò)在0.3 THz的載波頻率上復(fù)用2個(gè)太赫茲OAM模式，實(shí)驗(yàn)展示了60 Gbit/s的QPSK和24 Gbit/s的16階正交幅度調(diào)制（16-QAM）數(shù)據(jù)傳輸，BER低于3.8×10-3。

圖3 利用攜帶OAM結(jié)構(gòu)化太赫茲波束的復(fù)用實(shí)現(xiàn)大容量通信.（a）原理框圖；（b）歸一化串?dāng)_；（c）在不同SNR下測(cè)量的所有8個(gè)復(fù)用通道的BER

中紅外波段擁有多個(gè)透射窗口，這些窗口能夠提供相對(duì)較低的大氣衰減和波束失真，在這些特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大氣對(duì)光波的吸收較小，從而允許信號(hào)以更小的能量損耗進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。2022年，美國(guó)南加州大學(xué)Willner教授團(tuán)隊(duì)展示了一種通過(guò)結(jié)合波分復(fù)用（WDM）和模式復(fù)用（MDM）技術(shù)在中紅外波段顯著提升自由空間光通信（FSO）數(shù)據(jù)傳輸能力的方案。該實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)波長(zhǎng)和2種OAM模式成功實(shí)現(xiàn)了300 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，不僅為中紅外FSO系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新方法，也為該領(lǐng)域未來(lái)研究提供了新思路。

圖4 基于中紅外波分復(fù)用和OAM模式復(fù)用的自由空間光通信系統(tǒng)。（a）概念圖；（b）強(qiáng)度分布圖和干涉圖及歸一化串?dāng)_矩陣；（c）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（d）單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)下不同空間模式測(cè)得的BER與OSNR關(guān)系

位于近紅外波段的OAM光束是目前研究最為廣泛的一種，已經(jīng)被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。2023年，華中科技大學(xué)王健教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示了一種利用OAM復(fù)用傳輸16-QAM信號(hào)的260 m安全光學(xué)傳輸鏈路，對(duì)OAM光束漂移、功率波動(dòng)、通道串?dāng)_、誤碼率性能和鏈路安全性進(jìn)行了研究，此外還研究了260 m范圍內(nèi)1對(duì)9廣播通信的性能。該實(shí)驗(yàn)不僅證明了OAM復(fù)用技術(shù)在提高傳輸容量和頻譜效率方面的潛力，還驗(yàn)證了其在安全光學(xué)互連和多播系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 使用OAM光束復(fù)用和廣播實(shí)現(xiàn)安全光互連。（a）概念和原理圖；（b）實(shí)驗(yàn)裝置

可見光波段因其高頻率特性，理論上可支持更大的數(shù)據(jù)容量。在特定通信場(chǎng)景，如星海通信，可見光通信顯示出獨(dú)特的研究?jī)r(jià)值，近年來(lái)的研究展示了利用可見光波段進(jìn)行OAM通信的可行性。2019年，華中科技大學(xué)王健教授團(tuán)隊(duì)提出并展示了使用OAM模式和快速自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的水下無(wú)線可見光鏈路。該實(shí)驗(yàn)演示了2 m水下OAM模式復(fù)用鏈路，模式串?dāng)_小于-9 dB。實(shí)驗(yàn)裝置采用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠克服信號(hào)波動(dòng)，提供穩(wěn)定的輸出，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的水下OAM模式復(fù)用通信。

圖6 采用OAM模式和快速自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的水下無(wú)線光通信鏈路的實(shí)驗(yàn)演示。（a）測(cè)得的強(qiáng)度分布；（b）快速自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)光束位置穩(wěn)定性和系統(tǒng)BER性能的影響

目前，基于渦旋電磁波的衛(wèi)星通信技術(shù)主要處于理論研究和數(shù)值分析階段，尚未有實(shí)際應(yīng)用于衛(wèi)星通信，部分原因是由于高昂的衛(wèi)星發(fā)射成本。同時(shí)，衛(wèi)星激光通信技術(shù)尚處于初級(jí)階段，對(duì)于更高級(jí)的衛(wèi)星渦旋激光通信的需求并不顯著。然而，隨著低地球軌道（LEO）和極低地球軌道（VLEO）衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展以及成本的降低，結(jié)合全球信息一體化趨勢(shì)和對(duì)通信容量不斷增長(zhǎng)的需求，渦旋電磁波應(yīng)用于衛(wèi)星通信的前景值得期待。

作者簡(jiǎn)介

王健，華中科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，武漢光電國(guó)家研究中心副主任。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要從事光場(chǎng)調(diào)控、多維光通信、光信號(hào)處理、光電子器件與集成、光子集成芯片等方面研究。當(dāng)選IEEE Fellow、OPTICA Fellow、SPIE Fellow。曾入選國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃青年學(xué)者、青年拔尖人才、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓高級(jí)學(xué)者。承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)等項(xiàng)目。擔(dān)任美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士評(píng)選委員會(huì)委員、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、IEEE Photonics Society武漢分會(huì)副主席。入選2019—2023年度全球前2%頂尖科學(xué)家、愛思唯爾2020—2023年度中國(guó)高被引學(xué)者。第一完成人獲教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2次、教育部青年科學(xué)獎(jiǎng)1次、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1次和王大珩光學(xué)中青年科技人員獎(jiǎng)1次。

>End

充滿激情的新時(shí)代，

充滿挑戰(zhàn)的新疆域，

與踔厲奮發(fā)的引領(lǐng)者，

卓爾不群的企業(yè)家，

一起開拓，

一起體驗(yàn)，

一起感悟，

共同打造更真品質(zhì)，

共同實(shí)現(xiàn)更高價(jià)值，

共同見證商業(yè)航天更大的跨越！

——《太空與網(wǎng)絡(luò)》，觀察，記錄，傳播，引領(lǐng)。