太赫兹轨道角动量通信关键器件研究进展
摘 要
【关键词】 太赫兹通信；电磁涡旋；轨道角动量
0 引言
随着移动通信快速发展的今天,智能终端设备及各类新兴应用持续优化升级,导致无线数据流量呈现爆发式增长趋势,这直接推动了下一代移动通信技术（6G）的研究进程。相较于现有的无线通信系统,6G技术体系旨在从速度、延迟和承载能力等关键指标上实现显著提升,最终构建智能化、高效率的人机物三元体网络架构,实现"万物智联、数字孪生"的技术愿景[1-2]。为此,研究者们正致力于将通信频段拓展至具备海量带宽资源的太赫兹频段范围,以有效解决当前无线通信面临频谱稀缺与带宽受限的问题[3]。此外,人们也在不断探索新型无线传输模式与技术方案,致力于提高频谱效率。其中,轨道角动量（OAM）作为一种独特的调制方案,凭借其完美正交性特点可实现多路信息在同一信道内实现同时传输,从而显著提升了无线通信系统的总传输效率与太赫兹频率资源利用率[4]。”
1 太赫兹波的特点及轨道角动量
太赫兹（THz, Terahertz）信号一般定义为频率范围在0.1至10太赫兹之间的电磁辐射。如图1所示 ，该频段位于微米级电磁辐射序列中的关键位置 并具备许多独特特性。相较于微米级信号 太赫兹频段拥有较宽广的频谱 能够提供更快的数据传输速率。另一方面 由于其较高的频率 物理传播方向较为集中 因此在高速数据传输过程中具备良好的保密特性。相较而言 太赫兹信号在其频段内对大气扰动的影响较小 具有良好的穿透能力和稳定的传播特性。因此 具备高数据传输速度 同时兼具安全性与稳定性的优势特征 将使其成为未来6G无线网络中极具潜力的技术支撑基础 [4-5]
近年来，在太赫兹通信领域取得了显著进展。载波频率持续提升带来了更高的传输效率与更广的工作频段范围。与此同时，通信速率显著提高的同时也伴随者传输距离明显扩大。此外，在收发系统方面也朝着模块化设计等更先进方向推进。然而，在这一过程中仅依赖加载大带宽信号来提升单用户数据速率的方法在实际应用中面临诸多技术难题。因此，面向应用的太赫兹通信需朝着综合运用多种先进技术的方向演进
基于电动力学理论，在光子属性中不仅体现线性动量这一基本特征外，
还拥有角动量这一重要属性。其中，
光子轨道角动量（OAM）对应于光子围绕传播轴旋转这一特性，
其分布情况与其空间结构相关联。
在宏观层面则对应于带有螺旋相位因子的特征。
，其中
表示OAM模态，
该方法可表示为方位角[6]。不同模式的OAM光束具有正交性,因此能够作为独立信道实现信号传输。理论上, OAM复用能够提供无限多的正交基底,从而在接收端无需依赖与MIMO类似的复杂信号处理技术,即可在较低信道串扰下实现分离。同时,该方法不仅与传统维度如频率、时间及极化等兼容,而且如图2所示,在未来大容量传输方面具有重要应用前景。
自1992年Allen及其团队首次发现拉盖尔高斯光束携带有轨道角动量以来
2 太赫兹OAM通信关键器件
图3展示了太赫兹OAM通信系统的典型架构图。在发射端，多路带有高速通信信号的太赫兹发射机依次通过不同的OAM产生与复用器件进行加载处理，在传输过程中实现了多路同轴信道的有效复用。接收端则首先对各路OAM复用信道进行解复用处理以实现信道分离，在解码后通过相应的接收机完成信号接收并进行必要的信号处理工作。目前该系统的关键功能模块主要包括：OAM产生与复用装置、解复用与检测系统以及用于波束调控的OAM波束调节器等主要组件。
2.1 产生与复用
高效产生多模OAM波束被视为支持高速OAM通信的关键性必要条件。主要采用的方式包括使用螺旋相位板、基于天线阵列的设计以及超表面天线等技术手段进行OAM信号的产生与复用。
（1）螺旋相位板
螺旋相位板（SPP, Spiral Phase Plat）是指其厚度随着方位角
而变化的一种介质板，设波长为
，OAM模态为
，SPP折射率为
，则SPP的厚度可表示为[14]：
因此平面波在经过SPP之后会携带有螺旋相位因子
该方法源于光学领域，在其结构简单的基础上已被广泛应用至多个频段。然而该技术存在明显局限性：仅能生成单一模式的光角动量（OAM）波束，并且其方向控制不精确；在实际应用中必须整合一系列空间光学元件（如反射镜和合束器等），这使得系统变得极为复杂；同时这种技术在单频点上实现模态转换的能力有限，在宽频段应用中难以发挥优势。基于此限制因素该技术目前尚无法满足宽带OAM通信需求
（2）天线阵列
基于天线阵实现OAM波束是一种较为成熟的技术手段，在微波频段范围内具有广泛的应用。其中圆形阵列天线（UCA...）是应用最为广泛的类型。UCA技术的核心在于将各个阵元均匀地布置在一个等距圆周上，并通过给定N个均匀分布的阵元分别施加幅度相同、相位间隔为2πl/N的电流（其中- N/2 < l < N/2），从而实现所需的多模OAM波束输出[15]。然而由于馈电网络设计较为复杂且受制造精度限制，在高频段应用受到限制。值得指出的是2018年日本NTT公司在D波段成功运用巴特勒矩阵技术实现了多组OAM波束的有效生成[16]。当采用UCA技术生成OAM波束时，若各阵元相位存在偏差，则可能导致波前抖动以及主瓣宽度增大现象出现
（3）超表面天线
基于人工设计的亚波长周期性结构单元优化了超表面性能，在入射电磁场中诱导特定空间时程变化特征的具体表现为相位位移、幅度变化以及偏振状态的变化率等参数指标，并进而实现反射或透射模式下的光角动量传输能力。基于该类天线架构的设计方案具有结构紧凑性与厚度缩减优势，并且能够实现精准控制与模块化集成特点，在近五年的研究文献[17-19]中已形成较为完整的理论体系框架。随着现代通信系统的日益增长对数据传输速率的需求显著提升，在信号处理架构层面引入多维度信息融合策略成为当前研究热点之一。
为了扩大超表面应用的领域，在2014年崔铁军教授的研究团队首次采用二进制数字编码法对超材料进行表征，并提出了对超表面进行编码的概念。通过调节编码序列来控制电磁波的发射与散射特性，从而显著降低了设计流程的时间复杂度[20]。在2022年李久生教授的研究团队开发了一种透射型编码超表面，在双频段：0.81太赫兹至1.63太赫兹之间工作，并能够产生不同方向传播且具有不同模式的OAM波束。该研究结果有望应用于基于OAM多路复用与频率分复用相结合的高速通信系统[21]。
尽管超表面展现出将物理世界与信息科学有效结合的潜力，但其局限性在于现有的超表面结构无法进行功能上的调整。一旦制备后则无法进行功能上的调整。近年来随着可编程材料技术的进步，可重构超表面逐渐扩展至太赫兹领域，并通过石墨烯等材料能够实现太赫兹波束的实时调控，在太赫兹通信与成像等领域的应用前景具有潜在价值[22-23]。
在超表面领域方面，我们展开了深入的研究工作。利用多层透射结构，在0.1 THz频率点上设计出了一种具备OAM复用特性的超表面，在理论分析的基础上实现了这一装置的具体应用，并成功将其应用于通信系统[24]。基于现有技术发展背景及系统容量需求考量，在进一步优化方案时提出了将OAM复用与极化复用相结合的新思路：通过双圆环结构设计实现了一种新型反射型OAM复用超表面（如图4所示），该装置不仅能够在0.1 THz附近稳定运行四路独立的双极化OAM调制信道，在工作频率范围上还具有20%的相对带宽优势；更重要的是，在实际应用于OAM复用通信系统时显著降低了系统的复杂度要求
2.2 解复用与接收
在接收端精准分离并有效捕获不同OAM模态的信号波束是太赫兹OAM通信系统的关键技术环节之一。具体而言，在实现这一核心技术方面主要采用反螺旋相位板和坐标变换法两种方法。
（1）反螺旋相位板
采用反螺旋相位板对OAM波束进行解复用是一种广泛应用的方法；该方法主要依据共轭相位原理，在不同模态下
和
的复用波束时，使用相位分布为
的螺旋相位板可以将
波束中的螺旋相位因子项
抵消掉，从而将其转换为高斯波束，而
基于此分析可知，在此分析中我们发现：在分析结果中我们发现
（2）坐标变换法
该方法涉及的关键设备包括重构器和校正器，在其运作机制中需要完成对涡旋光束进行极坐标至笛卡尔坐标的几何转换操作。经由相应的坐标转换操作后，太赫兹OAM波束的相位梯度空间分布模式发生转变。随后通过聚焦透镜将这一线性化的相位梯度转换为聚焦点状光斑。值得注意的是这些具有不同OAM模态的波束在经过透镜后的焦点平面上对应出现于特定的位置点上从而实现了多波束解复用功能。图6 展示了基于重构器和补偿器实现的OAM波束解复用示意图：
通过坐标变换技术实现多个太赫兹OAM波束在模态叠加情况下的有效分离[25]。华中科技大学基于0.3 THz频段研发出一种基于3D打印技术的相位器件，在实验中实现了复用型OAM波束的精确检测与分离功能。研究表明，在输入光场模态间距增大时，在焦平面相应位置出现的聚焦点间距也会随之扩大。
对于坐标变换法而言，在0.1 THz频段进行了系统性探究。研究表明，在重构板与纠正板间距d的变化过程中（其中包含d值的减小以及f值的增大），均能够显著提升两模态在焦平面间的距离（如图7所示）。具体而言，在不同具体应用场景下（如根据具体应用场景的需求），可灵活调节接收装置的位置参数以实现最佳匹配效果）。因此可以得出结论：坐标变换法是一种既具有高度灵活性又具备实用价值的多波束解复用方法。
2.3 OAM波束的调控
除了传统的拉盖尔高斯波束之外，在光场领域中还包括了高阶贝塞尔光束和完美涡旋光束等类型的光子流体分布模式携带器。这些光子流体分布模式还具有独特的特性，在提升这类通信系统的性能表现方面具有显著作用。
贝塞尔波束是一种无散焦波束，在传播过程中其电场分布保持恒定特性。然而理想状态下的贝塞尔波束具有无限能量特征，在实际应用中由于物理限制必须依赖有限孔径的天线来实现近场范围内的无散焦传播效果[26]。尽管如此，在实际系统中通过将锥透镜相位与OAM相位集成到超表面光子晶体上即可实现准无散焦OAM光子束的有效生成[26]。该方法具有显著的优势包括设备尺寸小、结构布局合理以及便于集成等优点[26]。与之相比轴棱锥方法仍是生成准贝塞尔光子束的最常用方案[26]。
基于拉盖尔高斯波束的特性可以看出，在拓扑荷数l逐渐增加时（暗核中心也随之扩大），这对高模态OAM波束的应用带来了不利影响。2013年,Ostrovsky等人成功实现了空间光调制器用于生成一种完美涡旋光束,其显著特点在于光场亮环半径与拓扑荷值无关[27].随后, Yang团队通过创新性地采用三维打印技术制造相位元件,成功制造出太赫兹范围内的完美涡旋波束[28].值得注意的是,该技术可有效容纳更多不同拓扑荷数（OAM）模式于有限孔径内,这一特性对于提升OAM通信信道容量具有重要意义.
基于完美涡旋波束在OAM通信中的独特优势，我们进行了深入的研究探索。首先通过多组SPP和轴棱锥装置产生不同模态的高阶贝塞尔波束，并将这些波束进行合束形成复合态贝塞尔波束。经过傅里叶透镜变换处理后即可获得完美涡旋波束，在接收端可采用坐标变换法实现信号解复用（如图8所示）。此方案适用于OAM通信系统的实际应用。
3 基于不同器件的太赫兹OAM通信讨论
近年来，关于太赫兹OAM通信系统的研究呈现多元化发展趋势。2021年，南加州Alan Willner课题组在0.3 THz频段分别利用两个SPP产生模态分别为+1级和-2级的OAM波束，并通过结合太赫兹反射镜和平移器将两种OAM波束整合为共轴传输的复合型OAM波束，在自由空间传输距离达0.2米后，在接收端采用反SPP装置对复合型OAM波束进行解复用操作，成功实现了数据传输速率达到8 Gbit/s的目标[29]。同年该团队对这一技术体系进行了优化升级，在原有的基础之上引入极化复用技术和频率分复用技术手段，进一步实现了8通道协同传输并获得了高达32 Gbit/s的整体数据传输速率[30]。在基于SPP支撑的太赫兹OAM通信系统中，多维度应用空间光学元件不仅显著提升了系统的复杂度水平，同时也会明显增加系统的损耗值；此外由于SPP特性具有较强的宽谱带宽特性这一局限性因素的存在，则使得该类通信系统在向高速化方向以及模块化集成方向发展过程中面临着诸多制约性挑战。
该研究机构成功实现了基于巴特勒矩阵与UCA阵列的高速OAM复用通信系统，在空间传输距离为0.3米时达到了102 Gbit/s的传输速率[16]。然而由于UCA馈电网络设计上的复杂性问题，这一创新成果在实际应用中仍面临较大局限[31]。随着无线通信向小型化和集成化方向发展，在此基础上Su团队开发了一种基于像素阵列的高纯度太赫兹集成电路原型，在此基础上实现了20 Gbit/s速率下的单路连续通信[31]。近期研究者创新性地应用透射超表面技术完成了双路OAM波束的有效复用，在该系统中每条信道搭载5 GbaudOOK信号即可实现10 Gbit/s的数据传输速度[24]。
除了用于提高通信容量之外，在信息传递过程中基于不同模态之间相互独立正交的特点也能够实现安全通信功能。此外，在安全通信领域中通过独特且专用的安全信道进行加密可以确保在强对抗环境下的数据传输可靠性。然而，在充分释放OAM调制自由度方面仍存在诸多挑战。
（1）生成多模态OAM波束。理论上而言,OAM模式具有无限的可能性,但在实际应用过程中,由于所生成的OAM波束纯度相对较低,导致不同OAM模式之间存在干扰,进而影响多个模式同时复用的效果.此外,随着所选OAM模式阶数的提升,发散程度随之增大,这不仅限制了更多模式共存的能力,而且会影响系统的整体效能.采用完美涡旋波束能够在有限的空间内容纳更多种不同的OAM模式,这对于提高系统的容量具有重要意义.因此,开发高性能、集成化且多功能的装置来实现高纯度多模态的连续复用技术,是提升系统性能的关键路径.
（2）长距离传输光斑变大。OAM波束具有发散特性，在远距离传输过程中会导致光斑变大，这必然要求接收端具备足够的孔径尺寸。在通信系统中可通过引入外部调制透镜来抑制波束发散，在发射端则可结合相关辅助器件生成无发散波束，并利用电磁波近场无衍射特性实现无线信号的定向保密传输，在此过程中不仅可提升系统效率、减少多径干扰等优点
4 结束语
本研究聚焦于太赫兹光栅调制（OAM）技术在现代通信网络中的应用潜力。该技术不仅能够提供惊人的大带宽和多维度复用能力，并且还展现出显著的安全性和稳定性等关键特性。本文旨在系统性地阐述相关技术基础，并深入探讨其在实际应用中的实现路径和技术难点。具体而言，在理论分析部分我们将详细阐述本研究涉及的核心概念及其相互关系；随后着重解析基于不同光学元件构建高效高精度 too⁃her⁃z Oam 通信系统的可行性；最后将从系统级角度全面评估其性能表现并提出若干改进方向