涡旋电磁波无线通信：数据传输“高速公路”

封面解析

封面展示了卫星互联网无线通信的多种场景及其特点，其中主要展示了在卫星互联网中的星间、星地、深空，以及未来超视距星际通信场景。在星间通信场景中，无线通信面临的挑战包括多普勒频移、精准跟瞄和宇宙背景噪声等问题；星地通信则需进一步克服由大气环境和地理位置带来的影响；深空通信场景下，通信系统则面临发散问题。基于涡旋电磁波，尤其是以涡旋光和拓展结构光作为主要载体的无线通信技术，具有能量密度高、体积小、抗湍流、传输容量大等特点，在未来卫星无线通信的多个场景中具有应用前景。

基于涡旋电磁波的无线通信技术

作者 | 王健, 王仲阳, 刘劲峰, 汪朔.

导读

华中科技大学王健教授课题组回顾了近年来基于涡旋电磁波的无线通信技术实验研究进展，覆盖了微波、太赫兹、中红外、近红外和可见光涡旋电磁波通信。介绍了卫星涡旋激光通信技术的理论研究进展以及拓展结构光（如贝塞尔光和矢量光等）通信在抵抗障碍物和湍流影响方面的实验研究进展。最后，文章对涡旋电磁波无线通信技术未来可能面临的挑战及发展前景进行了简要讨论。

01

研究背景

在过去几十年里，无线通信技术的快速进步及传统方案面临的挑战带动了卫星互联网通信需求的不断增加，特别是在无线信号覆盖不足的乡村、山区和海洋区域，卫星互联网与传统地面无线网络可以相互补充，共同提供高带宽低延时的网络通信服务。然而，卫星无线电磁波通信仍然面临许多挑战，其中带宽和容量问题最为严峻。为开发电磁波新的维度资源，促进无线通信技术可持续扩容，结构化电磁波近年来逐渐走进视野。

携带轨道角动量（OAM）的涡旋电磁波是结构化电磁波的一个典型例子，不同阶数的OAM之间具有正交性，因此可以像波长一样用于复用和携带信息，在无线通信系统中利用涡旋电磁波，能够有效提升通信系统的容量，为大容量无线通信和信息处理提供了新的方法和策略。

02

电磁波谱中不同频段及OAM模式产生和测量方法

电磁波谱从长波长低能量的无线电波到短波长高能量的伽马射线，可分为无线电波、微波、红外、可见光、紫外、X射线和伽马射线，如图1所示。无线通信依赖于电磁波谱中的特定频段来传输信息，例如无线电波、微波、太赫兹、红外和可见光频段，这些频段的电磁波可以携带信息，在自由空间进行通信而无需物理连接。

图1 电磁波频谱示意图

携带OAM模式的涡旋电磁波具有方位角相位项为exp(iℓθ)的螺旋相位波前，其中ℓ为OAM拓扑电荷数或OAM的阶数，ℓ可取正值（顺时针）、负值（逆时针）和零值（无螺旋相位，如传统平面波或高斯波的束腰位置）。OAM模式的螺旋相位结构使其中心为相位奇点，因此呈现出中心电场强度为零的环状分布，图2示意了携带不同阶数的OAM模式的相位波前、横向相位分布和强度分布。

图2 具有不同阶数的OAM模式的相位波前、横向相位分布和强度分布

目前在无线电及微波领域已经有许多涡旋电磁波产生方案，例如，螺旋相位板（SPP）天线、均匀圆形阵列（UCA）天线和超表面等。此外，在光波范畴，OAM模式的产生可分为有源和无源，其中有源的方法是利用激光腔直接产生OAM光束，而无源方法主要有衍射光学元件、变换光学方法、SPP、Q板、J板、数字微镜器件（DMD）、空间光调制器（SLM）、光纤器件、光子集成器件、超材料、超表面等。2018年，华中科技大学王健教授团队设计并制造了一种反射增强型表面等离子体超表面，不仅能够在超出传统空间光调制器能力范围的2 μm处（中红外波段）产生结构光，还能在无需分离出参考光的情况下产生自参考强度螺旋。

在涡旋电磁波通信系统中，接收端需要对OAM模式进行检测和数据信息的解调，通常可以通过对OAM模式施加相反阶数的螺旋相位，将OAM模式转换为类高斯模式，并经过空间滤波得到所需要的信号。

03基于涡旋电磁波的无线通信

未来无线通信系统扩容的一种潜在手段是采用涡旋电磁波，OAM模式有多种取值且彼此正交，这种正交性允许在同一通道内复用不同的OAM模式，以此提高信道容量和频谱效率。针对不同频段的OAM模式电磁波通信，已有广泛的研究。

3.1 太赫兹涡旋电磁波通信

太赫兹电磁波能够提供远超传统无线电和微波的带宽，使得太赫兹波无线通信在满足高速、大容量和安全数据传输的需求方面展现出巨大的潜力。2022年，美国南加州大学Willner教授团队利用结构化的太赫兹（THz）波束携带OAM进行复用，为大容量太赫兹通信提供了新途径。通过在0.3 THz的载波频率上复用2个太赫兹OAM模式，实验展示了60 Gbit/s的QPSK和24 Gbit/s的16阶正交幅度调制（16-QAM）数据传输，BER低于3.8×10-3。

图3 利用携带OAM结构化太赫兹波束的复用实现大容量通信.（a）原理框图；（b）归一化串扰；（c）在不同SNR下测量的所有8个复用通道的BER

3.2 中红外涡旋电磁波通信

中红外波段拥有多个透射窗口，这些窗口能够提供相对较低的大气衰减和波束失真，在这些特定的波长范围内，大气对光波的吸收较小，从而允许信号以更小的能量损耗进行远距离传输。2022年，美国南加州大学Willner教授团队展示了一种通过结合波分复用（WDM）和模式复用（MDM）技术在中红外波段显著提升自由空间光通信（FSO）数据传输能力的方案。该实验采用3个波长和2种OAM模式成功实现了300 Gbit/s的数据传输，不仅为中红外FSO系统中实现大容量数据传输提供了一种新方法，也为该领域未来研究提供了新思路。

图4 基于中红外波分复用和OAM模式复用的自由空间光通信系统。（a）概念图；（b）强度分布图和干涉图及归一化串扰矩阵；（c）实验装置图；（d）单波长和多波长下不同空间模式测得的BER与OSNR关系

3.3 近红外涡旋电磁波通信

位于近红外波段的OAM光束是目前研究最为广泛的一种，已经被应用于各种领域。2023年，华中科技大学王健教授团队通过实验演示了一种利用OAM复用传输16-QAM信号的260 m安全光学传输链路，对OAM光束漂移、功率波动、通道串扰、误码率性能和链路安全性进行了研究，此外还研究了260 m范围内1对9广播通信的性能。该实验不仅证明了OAM复用技术在提高传输容量和频谱效率方面的潜力，还验证了其在安全光学互连和多播系统中的应用价值。

图5 使用OAM光束复用和广播实现安全光互连。（a）概念和原理图；（b）实验装置

3.4 可见光涡旋电磁波通信

可见光波段因其高频率特性，理论上可支持更大的数据容量。在特定通信场景，如星海通信，可见光通信显示出独特的研究价值，近年来的研究展示了利用可见光波段进行OAM通信的可行性。2019年，华中科技大学王健教授团队提出并展示了使用OAM模式和快速自动对准系统的水下无线可见光链路。该实验演示了2 m水下OAM模式复用链路，模式串扰小于-9 dB。实验装置采用自动对准系统，能够克服信号波动，提供稳定的输出，从而实现高质量的水下OAM模式复用通信。

图6 采用OAM模式和快速自动对准系统的水下无线光通信链路的实验演示。（a）测得的强度分布；（b）快速自动对准系统对光束位置稳定性和系统BER性能的影响

04

总结与展望

目前，基于涡旋电磁波的卫星通信技术主要处于理论研究和数值分析阶段，尚未有实际应用于卫星通信，部分原因是由于高昂的卫星发射成本。同时，卫星激光通信技术尚处于初级阶段，对于更高级的卫星涡旋激光通信的需求并不显著。然而，随着低地球轨道（LEO）和极低地球轨道（VLEO）卫星技术的发展以及成本的降低，结合全球信息一体化趋势和对通信容量不断增长的需求，涡旋电磁波应用于卫星通信的前景值得期待。

作者简介

王健，华中科技大学教授、博导，武汉光电国家研究中心副主任。国家杰出青年科学基金获得者。主要从事光场调控、多维光通信、光信号处理、光电子器件与集成、光子集成芯片等方面研究。当选IEEE Fellow、OPTICA Fellow、SPIE Fellow。曾入选国家优秀青年科学基金、长江学者奖励计划青年学者、青年拔尖人才、英国皇家学会牛顿高级学者。承担国家重点研发计划和国防科技创新特区等项目。担任美国光学学会会士评选委员会委员、中国光学学会常务理事、IEEE Photonics Society武汉分会副主席。入选2019—2023年度全球前2%顶尖科学家、爱思唯尔2020—2023年度中国高被引学者。第一完成人获教育部自然科学一等奖2次、教育部青年科学奖1次、中国光学学会自然科学一等奖1次和王大珩光学中青年科技人员奖1次。

>End

本文转载自“爱光学”，原标题《封面 | 涡旋电磁波无线通信：数据传输“高速公路”》。

为分享前沿资讯及有价值的观点，太空与网络微信公众号转载此文，并经过编辑。

未按照规范转载及引用者，我们保留追究相应责任的权利

部分图片难以找到原始出处，故文中未加以标注，如若侵犯了您的权益，请第一时间联系我们。

HISTORY/往期推荐

充满激情的新时代，

充满挑战的新疆域，

与踔厉奋发的引领者，

卓尔不群的企业家，

一起开拓，

一起体验，

一起感悟，

共同打造更真品质，

共同实现更高价值，

共同见证商业航天更大的跨越！

——《太空与网络》，观察，记录，传播，引领。

·《卫星与网络》编辑委员会

高级顾问：王国玉、刘程、童旭东、相振华、王志义、杨烈

·《卫星与网络》创始人：刘雨菲

·《卫星与网络》副社长：王俊峰

·微信公众号（ID：satnetdy）团队

编辑：艳玲、哈玫，周泳、邱莉、黄榕、娜娜

主笔记者：李刚、魏兴、张雪松、霍剑、乐瑜、稻子、赵栋

策划部：杨艳、若㼆、李真子

视觉总监：董泞

专业摄影：冯小京、宋伟

设计部：顾锰、潘希峎、杨小明

行政部：姜河、林紫

业务部：王锦熙、瑾怡

原创文章转载授权、转载文章侵权、投稿等事宜，请加微信：15910858067

商务合作；展览展厅设计、企业VI/CI及室内设计、企业文化建设及品牌推广；企业口碑传播及整体营销传播等，请加微信：13811260603

杂志订阅，请加微信：wangxiaoyu9960

·卫星与网络各分部：

成都分部负责人：沈淮

长沙分部负责人：宾鸿浦

西安分部负责人：郭朝晖

青岛分部负责人：江伟

·卫星与网络总部负责人：农燕

·会议活动部负责人：乔颢益、许克新、董今福

· 投融资及战略层面合作：刘雨菲

·本平台签约设计公司：一画开天（北京）文化创意设计有限公司

· 航天加（深圳）股权投资基金管理负责人：杨艳