高阶轨道角动量传输光纤设计及传输特性研究(内封底文章)

为解决一般轨道角动量传输光纤传输轨道角动量模式数量少、质量差的问题,提出了一种基于正六边形空气孔排列的新型光子晶体光纤结构。该光纤引入了空气填充率高的矩形空气孔以及采用高折射率材料填充环形传输区域,能够有效提高环形传输区域和包层间的折射率差,且正六边形排列空气孔有利于提高模间有效折射率差。经过结构优化得到最优光纤结构,有限元法的分析结果表明,最优结构下,该光纤在常用波段S+C+L+U波段上能够支持142种轨道角动量模式的传输,最高阶数达到36阶。且所提出光纤具有良好的传输特性,本征模式的最高限制性损耗为10−9 dB/m量级,与典型轨道角动量传输光子晶体光纤相比至少降低了一个数量级;最大有效模场面积能够达到206.18μm^(2),最小非线性系数低至0.397 W^(−1)∙km^(−1);色散平坦且最小色散变化低至1.4578 ps/(nm∙km);所有本征模式纯度均在93.4%~96.8%范围内。且该光纤具有较好的制备可行性,对制造精度要求不高。因此,该光纤在基于轨道角动量光纤的复用系统中具有广阔的应用前景,为提高通信容量提供了一种有效手段。

基于超宽带反射超表面产生太赫兹轨道角动量

由于轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)有望成为新的通信复用自由度,在拓展信道容量、提高频谱资源利用率方面有巨大潜力而受到越来越多研究人员的关注。目前的太赫兹涡旋波产生器件存在只能工作在单频点、带宽窄、转换效率低等问题,如何在太赫兹频段高效产生OAM成为关键问题之一。该文设计了一种超宽带反射超表面单元,结合几何相位原理和相位叠加原理设计了单层反射超表面。仿真结果表明:设计的超表面实现了在0.82 THz~2.09 THz(相对带宽87.3%)的宽频范围内,将圆极化太赫兹波转换为携带轨道角动量的太赫兹涡旋波,同极化反射谱的幅度大于0.97,转换效率高于94.7%,反射相位覆盖0°~360°。利用傅里叶变换分解反射场中各个OAM模式,定量分析了OAM模式纯度,在不同频率下涡旋波中均为主模式l=-2能量占比最高,进一步对设计的超表面进行优化,主模式能量占比明显提升。该文设计的超表面具有转换效率高、工作带宽大、主模式强度高等优势,为宽带太赫兹涡旋波的高效产生提供了一种参考。

具有可重构特征的轨道角动量天线技术研究进展

轨道角动量(OAM)因其模式具有理论上无穷且正交互不干扰的特点,在扩展信道容量方面展现出良好的优势,为解决日趋紧张的频谱资源提供了一种新型设计自由度。面对复杂多样的无线通信场景,设计具有可重构特征的OAM天线,是实现多模态复用、智能信息感知和人工智能天线的物理层基础。该文首先结合可重构天线实现机理,给出了OAM可重构天线设计的方法及具备的特点;然后,系统性综述了具有可重构特征的OAM天线的研究进展;最后,对未来设计具有可重构特征的OAM天线研究进行了展望。

基于轨道角动量谱分解的多通道水声通信及系统实现

水声通信能够实现信息的长距离传输,在深海探索和军事领域发挥重要作用.然而,由于换能器带宽和声波波长的影响,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,研究了基于环形收发阵列的多通道水声通信方法,并系统实现.基于发送数据的ASCII编码,利用全息信号的幅度和相位调制,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,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,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,开展了6通道水声通信研究,成功实现了复用涡旋声场的实验测量和OAM解码,并与传统单通道二进制串行数据通信进行性能比较.理论和实验结果证明,基于OAM谱分解的通信通道数由发射阵列的阵元数N决定,其解码精度由发射信号的相位精度和接收阵列的阵元数决定;阵元数N≥1的大阵列系统在满OAM模式复用条件下的传输速率约为传统水声通信的N倍.本研究表明基于OAM谱分解的多通道通信可大幅提高信道容量和频谱利用率,为其在水声通信中的实际应用提供了一种实用方案.

基于改进Xception实现涡旋光束轨道角动量识别

当光束在海洋中传输时,湍流的存在会严重影响光束的质量,导致接收端光场产生扭曲和退化现象。为解决该问题,提出一种基于改进深度可分离网络(IXception)的方法,用于实现通过海洋湍流传输的涡旋光束轨道角动量模态识别。采用分步相位屏的思想,基于功率谱反演法仿真涡旋光束在海洋中的传输过程,并建立入射光场发生的退化、扭曲的散斑场数据集,用数据集来训练IXception识别散斑场中涡旋光束的轨道角动量。IXception延用Xception架构思想,结合了残差结构和倒置残差结构,能够提取高度空间深度特征,减少网络结构参数的冗余,增强泛化能力。研究结果表明,IXception在20 m和80 m湍流中对扭曲光场轨道角动量的识别率达到了99.20%与97.9%。随着传输距离的增加,IXception的识别率会略有降低,但与Xception模型相比,IXception识别性能更好。

多轨道角动量模式谐振环形行波天线设计

为解决目前轨道角动量(OAM)天线难以在同一频率下多模工作的问题,推动OAM在无线通信领域的实际应用,设计、加工并测量了一种基于单层板的谐振环形行波天线,引入4个馈电探针将不同相位差的信号馈入行波天线。经仿真分析和实际测量,该天线可以在3 GHz上谐振并分别产生了携带有OAM模式l=0,l=±1,l=-2的涡旋电磁波束。该天线结构简单并且可以在同一频率下产生多种模式OAM,能够有效增加无线通信的信道容量,具有一定的理论意义和实用价值。

石墨烯混合等离子体波导光子轨道角动量产生及转换器设计

为满足现代社会对通信容量日益增长的需求,设计了一种基于石墨烯混合等离子体波导的可重构光子轨道角动量产生及转换器,利用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真分析.仿真结果表明:石墨烯费米能级为0 eV时,该装置实现了拓扑荷由+1向−1或者−1向+1的光子轨道角动量的转换,转换效率达到93.6%;石墨烯费米能级为0.9 eV时,该装置可以将线偏振光转换为携带轨道角动量的涡旋光,此时该器件还可以用于识别拓扑荷为±1的涡旋光.

轨道角动量技术研究进展及其在5G-A和6G中的应用前景分析

近年来,5G的建设取得了丰硕的成果。以3GPP为首的标准组织正在积极开展5G第二阶段(5G Advanced,5G-A)以及6G的候选技术及标准工作。电磁波的轨道角动量技术(Orbital Angular Momentum,OAM)是IMT-2030推进组在6G布局的重要研究方向,以其优异的理论容量性能在学术界和产业界获得了大量关注。文章总结OAM技术应用于通信的优势,例如可支持视距超多流并行传输,提升通信物理层安全,与智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface,RIS)技术结合赋能等,提出在大数据和工业互联网等应用场景下,利用OAM技术建立的超大规模无线数据中心将助力实现数据要素深度参与工业生产,提升全产业链生产效率,推动6G与产业协同发展。

三维空间轨道角动量全息

光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中.然而,目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息,即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内.如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白.本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度,实现了三维空间轨道角动量全息技术.换言之,在我们实现的三维空间轨道角动量全息中,目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态,还要求在正确的空间位置来探测物体的图像.此外,还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术,并指出该复用技术可用于信息加密.与传统的二维轨道角动量全息技术相比,三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度,即成像的空间位置.因此,基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级.我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性.

百兆赫兹重频的轨道角动量模式飞秒光纤激光器

轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式激光器在大容量通信系统、激光加工、微粒子操作、量子光学领域研究有潜在应用价值.OAM模式飞秒光纤激光器具有结构简单、成本低、峰值功率高等优势而被重点研究.当前OAM模式飞秒光纤激光器在重复频率、脉冲宽度、光谱宽度等关键参数上分别都有突破,但性能难以兼得,且重复频率目前在数十MHz.本文基于模式相位匹配原理,制作了大带宽的模式耦合器,结合非线性偏振旋转锁模机理,通过优化腔内的色散,搭建了百兆赫兹重复频率的OAM模式飞秒光纤激光器.实验结果表明,一阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达113.6 MHz,脉冲半高全宽98 fs,10 d B带宽可达101 nm;二阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达114.9 MHz,脉冲半高全宽60 fs,10 d B带宽可达100 nm.相对于已报道的方案,本文报道的方案在重复频率、脉宽和光谱宽度等关键参数上综合性能较好,有望更广泛地应用于OAM通信、粒子操控等研究领域.

使用石墨烯的超宽带轨道角动量螺旋天线设计

轨道角动量涡旋波束各个模态之间相互正交,可以很好地解决频谱资源紧张的问题。针对目前轨道角动量天线普遍存在带宽较窄的问题,设计了一种太赫兹频段的超宽带轨道角动量四臂螺旋天线。研究了馈电端口之间连续相位差与生成模态之间的关系,使用了一种石墨烯双环结构并通过调整优化天线的的结构尺寸来提高天线的性能。实验结果表明,通过简单调整馈电相位差,就能够产生模态数为0、1、2和3的涡旋波,并且不同模态下天线的增益均在7.5dBi以上。同时所设计的天线绝对带宽达到了8.85THz,在中心频率6THz处其相对带宽可以达到147%,S11为-50dB,与传统天线相比改善较大,为太赫兹频段的模态复用提供了一定的现实意义。

自旋轨道角动量耦合的超流费米气体

近年来,自旋轨道耦合的原子气体研究取得了许多重要的进展,其中一种新近实现的新类型自旋轨道耦合-自旋轨道角动量耦合由于其独特性质吸引了人们的兴趣。本文以费米气体为例,介绍自旋轨道角动量耦合的实现和特点,以及对单粒子谱特别是对费米超流的重要影响。结合平均场解析方法和数值模拟,分析了自旋轨道角动量耦合诱导的有限角动量配对和由此导致的不同类型的超流涡旋基态,并进一步讨论了相关的进展和未来可能的发展方向。

基于离轴级联超表面的轨道角动量解复用系统设计

设计超表面系统时,实际制作的超表面效率与理论设计效率相差较大,常会存在超表面调制效率不足产生的杂散光,这些杂散光作为背景噪声在级联超表面系统中的影响会逐级放大,影响系统功能。为了降低有限效率的超表面对系统性能的影响,本文提出了一种基于离轴级联超表面的轨道角动量解复用系统设计方法。这一工作通过加入离轴相位设计,有效消除了级联超表面系统中因超表面效率降低所产生的杂散光。利用FDTD(时域有限差分)仿真软件进行计算和验证,结果表明,离轴级联超表面系统能有效减少因调制效率不足而产生的杂散光,与同轴系统相比,实现了最大串扰降低4.15 dB以及平均80%的杂散光消除,展现出较大的性能优势。

轨道角动量量子光源的集成化研究

量子光源是量子信息处理的关键器件之一,是量子计算、量子通信、量子模拟等应用的重要基础,基于量子光源制备量子态并提升其编码容量是量子信息技术发展的重大挑战.轨道角动量(OAM)是光子一种无限维的空间自由度,其空间模式构成无限维完备的正交基,利用OAM制备高维量子态可大幅提升量子信息处理容量,是高维量子信息处理的关键资源.随着光量子技术的进步,多种重要光量子器件已可在集成化芯片上实现.然而,微纳尺度下制备高维OAM量子态仍是实现量子光源集成化的挑战,亟需深入研究和突破.本文综述并讨论了集成化OAM量子光源的研究进展及其研究中面临的热点和难点问题,为推进高维量子光源在量子信息处理中的研究及实用化进程提供参考.

基于光束偏移器的光的轨道角动量分束器

近年来,光的轨道角动量自由度的高维度特性引起了广泛的关注.该自由度在许多科学领域得到了研究和应用,特别是在光通讯和量子信息领域.为了充分利用轨道角动量的高维特性,不同的轨道角动量态的非破坏分离成为一个最基本的要求.然而,目前已有的轨道角动量分束系统,要么在稳定性和级联拓展性方面有所不足;要么分离后的轨道角动量态的特性遭到严重破坏,无法参与进一步的相互作用过程.本文基于光束偏移器构建微型Mach-Zehnder干涉仪,设计了一个稳定且紧凑的轨道角动量分束器,实现了轨道角动量模式的非破坏分束.设计中由于只存在光束的全反射,因此理论上能量损耗为零.在微型Mach-Zehnder干涉仪中的光束经过的光学元件相同,且光束的空间偏移量较小,所以该轨道角动量分束器具有很好的稳定性.此外,由于被分开的轨道角动量态与入射的轨道角动量态具有相同的传播方向,因此该分束器具有很好的可拓展性,便于级联使用.本研究对轨道角动量这一高维自由度在光通讯等相关领域的应用有重要意义.

空间分集入射电磁波的高效轨道角动量复用传输

电磁波的轨道角动量(OAM)复用对高速无线通信具有重要意义。为了实现空间分集入射电磁波的高效OAM复用,文中提出了一种非对称式超表面单元结构,在不同入射角度下具有OAM复用所需的角域色散相位响应和高透射率。基于此单元结构构建了一种工作于X波段的OAM复用超表面,通过仿真和实验验证了其对±45°入射电磁波分别可以实现l=±2模式的OAM复用传输。与现有的OAM复用超表面相比,该超表面能够转换更多的能量而不会产生其他透射方向的寄生OAM波束,从而显著提高了空间分集入射电磁波的OAM复用传输效率。

利用涡旋光轨道角动量的8进制数据传输

提出了一种基于涡旋光轨道角动量特性与8进制数据编码相结合的数据传输方法。原理为将传输数据进行8进制编码,并将每个比特映射为不同大小的拓扑荷值,使用轨道角动量键控法得到相应拓扑荷值的涡旋光,并使用复二重振幅光栅进行拓扑荷检测从而得到相应的编码数据并最后进行反向解码。通过仿真验证了,相比于普通的二进制光传输涡旋光8进制数据传输具有更大的信道容量。最后通过具体实验得到实际的涡旋光九宫格图像并进行分析,验证了涡旋光8进制数据加密传输的可行性。

基于矢量轨道角动量波的透射超表面设计

针对轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)在无线通信系统中相位奇点的问题,提出了一种产生矢量OAM波的透射超表面。设计了一种超表面透射单元实现透射极化和相位的调控,并由此单元排布组成透射超表面。采用透射超表面调控透射电磁波的相位和极化在空间中的分布,极化控制为OAM波引入矢量模。仿真分析和测试结果基本吻合,均表明该超表面工作频率为10 GHz,能够将线极化波转换为模态为+1的矢量OAM波,在传播方向上增益为3.9 dBi,消除了中心相位奇点,验证了所提出方案的有效性。

原子介质中分数轨道角动量的传播

本文从理论上研究了三能级系统中原子介质对携带分数轨道角动量(FOAM)涡旋光束的响应。通过模拟和分析,证明了分数拓扑荷数的小数部分的大小影响介质极化率空间分布,但是仍然保持与整数拓扑荷数相同的一些特性。但当叠加模态增大时,极化率空间分布周期性破坏,极化率空间分布不再对称,且所占比例发生变化。此外,本文还研究了外磁场对介质极化率的影响,这些发现为分数涡旋光束在原子系统中的传播和操纵提供了理论支持。为原子系统中涉及分数轨道角动量的应用和增强信息传输能力提供潜在的意义。

螺旋扭曲双包层-三芯光子晶体光纤用于轨道角动量的生成

针对螺旋扭曲的单包层-少芯光子晶体光纤在生成轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)方面存在的不足,首次将三芯和内外空气孔不均匀的双包层结构引入光子晶体光纤,并通过螺旋扭曲实现了高阶OAM模式的生成.该光纤通过引入特殊设计的双包层结构有望降低生成的OAM模式的损耗,而围绕中心呈正三角分布的三个纤芯有望增加生成的OAM模式的数量.在光学变换原理的基础上,通过有限元方法对该光纤进行系统的分析,结果发现,当扭曲率a=7853.98 rad/m时,生成的OAM模式包括“OAM_(–4,1),OAM_(+9,1),OAM_(+10,1),OAM_(+11,1),OAM_(+13,1)”,其中+13阶是目前利用螺旋扭曲光纤生成的OAM模式中最高的阶数,且OAM模式的损耗均小于1.64×10^(–3)d B/m,比已有文献中最低的OAM模式损耗(Napiorkowski M,Urbanczyk W S 2018 Opt.Express 2612131)至少降低2个数量级,以及OAM模式纯度均大于93%.进一步研究表明,轨道角动量的生成依赖于纤芯超模与环形芯模式的共振耦合,而生成的OAM模式阶数的奇偶性与纤芯超模和环形芯模式的极化方向有关.