太赫兹轨道角动量通信关键技术与挑战

摘要

【关键词】 太赫兹；轨道角动量；太赫兹通信；轨道角动量通信

0 引言

随着5G移动通信逐步推广，在人工智能、大数据、云计算、机器学习以及物联网等新兴技术的共同作用下，医疗、互联网和交通等多个行业迎来快速发展的新机遇。当数字技术与实体经济实现深度融合时，智能设备数量的急剧增长对现有通信网络提出了更高的传输性能要求：更高的网络承载能力以及更强的实时响应能力[1]。在此背景下，6G技术不仅能够扩大网络覆盖范围：通过'空天地海'一体化通信将地面网络与空域、海洋深层网络实现有机融合；还能够深化网络覆盖深度：借助虚拟现实增强现实等创新技术与传感器系统结合应用，在提升人机交互体验的同时为未来社会生产方式带来根本性革新

太赫兹（THz, Terahertz）技术为6G网络提供了充足的频谱资源。其工作频率范围为0.1至10 THz，在这一范围内形成的光波具有极强的方向性与穿透性特点，并且在传输过程中能够有效保障通信安全。这种特性使其成为实现高速率通信的理想选择，并且其应用前景极为广阔[2]。

轨道角动量（包括OAM和Orbital Angular Momentum）在6G系统中构建了新的物理维度。在电磁波领域具有基础地位的轨道角动量理论支持无限多个相互正交的模式，在理论上能够显著提升系统的频谱效率及通信容量同时可被用作编码框架传输信息对于优化现有通信系统性能具有关键作用的技术手段[3]。

1 轨道角动量在通信领域的应用

轨道角动量作为一个重要的基本物理属性普遍存在于自然界中。自1992年Allen等人发现电磁波能够携带光子 angular momentum（OAM）以来,这一新维度引发了学术界的广泛关注[4].如图1所示, 当OAM的模态

当其不等于零时，在带有OAM偏振的光波前呈现出螺旋状分布，并因此而常被称为涡旋模式光束。与传统的高斯模式光相比，在相同条件下OAM偏振光的振幅呈现环形分布特征，并且其模式数目增加会显著影响这一特性

随着增大幅度的提升，则会引发环形半径的显著增加现象。同时，在OAM波束系统中存在一个由空间相位因子所决定的关键特征。

为方位角，

为OAM的模态数值。理论上，模态值

可取任意实数值的不同模态彼此正交。因此OAM作为一种突破传统通信参数（如频率和幅度）的新维度，在通信领域展现出广泛的应用潜力。

1.1 OAM模分复用通信

该系统主要基于各模态间的正交特性，在每个模式上建立独立的信息传输通道，在多个信道上实现多路信息同步传输的同时，并非单纯地提升系统的通信容量以及频率利用率。此外，在实际应用中可以通过该方法与其他复用技术协同工作以显著增强系统性能。其中对于'OAM波束'的复用技术而言是构成关键环节的基础内容，在实际操作中则会根据具体需求在不同工作频段上采用不同的生成策略

在光频段的主要应用领域中，空间光调制器（SLM, Spatial Light Modulator）与光纤是两种最常用的OAM波束产生器件。2010年的一项开创性研究由Awaji及其团队完成，在该研究中他们首次通过SLM实现了两路复用的OAM-DM通信实验[5]。这一创新性工作不仅达成了高达20 Gbit/s的数据传输速率目标，并且成功证明了该系统具有良好的应用潜力[5]。随后，在2011年王健等人提出了将模分复用与波分复用相结合的新方案，在两个不同的OAM模式上叠加了25个独立的波分复用信道通道数量达到50个独立信道，并最终实现了高达2 Tbit/s的数据传输速率[6]。这一成果的成功实施不仅显著提升了通信系统的容量性能而且进一步推动了OAM-DM技术在长距离传输中的应用研究[6]。进入2012年该研究团队又提出了将模分复用与极化复用相结合的新思路四路不同的OAM模式结合两种极化方向实现了8个独立信道从而将系统的通信速率提升至1.37 Tbit/s同时使得系统的频谱利用率达到了每赫兹25.6比特/Hz水平[7]

在微波段应用中使用直接产生的OAM波束更为常见。Tamburini等人于某一年利用抛物面天线实现了频率为约二点四千兆赫兹（GHz）的OAM波束生成，并将数据成功传递至四百四十二米外的位置[参见文献编号]。回晓楠等研究者于某一年开发了一种新型环形谐振腔天线，在六十GHz频段上实现了两路OAM模分复用通信信号的产生与传递实验[参见文献编号]。Yagi等研究团队于某一年创新性地提出了均匀环形阵列（UCA）结构，在其设计中巧妙地结合了模分复用技术和极化复用技术，在约二十八GHz频段上实现了两种不同的极化状态与五种独立的OAM模式叠加合成的技术突破，并最终实现在二十毫秒（m）内输送二千零一亿比特每秒（Gbit/s）的数据量的同时保证了十米的最大传输距离效果[参见文献编号]。

从数据来看，在微波与光频段得到了广泛应用的OAM-DM技术不仅显著提升了通信系统的容量与频谱利用率。作为一种独立的技术维度，在此基础上协同作用于极化复用、波分复用等多种传统复用技术上能够实现性能上的大幅提升，并为解决日益严峻的通信容量与频谱资源分配问题提供了新的解决方案。

1.2 OAM模移键控通信

在传统的通信系统中，通常采用相位、幅度和频率等参数来进行信号编码。作为电磁波独立参数之一的OAM同样可用于这一过程。通过建立不同模态与数据比特间的对应关系，并利用切换模式来传输信息的方式被称为...（此处可补充说明）... OAM-SK通信原理如图3所示 。假设有N种不同的模式用于编码，则每种模式可携带的信息量为log2N比特。

OAM-SK通信的发展始于2004年，当时Gibson团队率先实现了该技术的实际应用[15]。尽管如此，在随后的时间里SLM设备由于其较低的响应速度而成为了制约系统性能的关键因素。2015年突破性研究中，Willner团队成功地将多个SLM设备与具有极高速度（高达10 GHz）的光开关进行了集成，在这种新架构下SLM仅负责产生特定的OAM模态而无需直接参与切换操作[16]。此外通过与其他电磁波参数相结合的方式还可以进一步提升系统的传输速率上限与信息传递能力。值得注意的是在2018年的研究中Fu团队开发出了一种基于达曼光栅的技术实现了对OAM模态以及光场幅度两个关键参数的独立调控从而显著提升了每个OAM模态所承载的信息量并有效增强了整个系统的通信效率[17]

OAM-SK方案的成功应用拓展了可供信号进行编码调制的信息载体。具有无穷潜力的不同编码方式能够为构建更为复杂的编码策略提供理论支撑。同时，在多频段协同作用下,OAM-SK方案不仅能够与其他技术手段协同工作,还能够显著提升信号在不同频段之间实现灵活切换的能力。

1.3 THz-OAM通信系统研究进展

OAM技术不仅在增强系统通信容量的同时拓展了更多通信手段,而且在丰富现代信息传输方式方面同样展现出巨大潜力。相比之下, THz技术同样具有显著的优势,两者结合使用后有望进一步提升系统的通信容量。
相比于微波, THz频段能够带来更多带宽收益,这一优势源于其更高的载波频率所带来的较小相对带宽,从而使得宽带信号带来的信道串扰问题得以有效缓解。
值得注意的是, THz波束还表现出良好的准直特性,这种特性能够帮助有效减小长距离传输后形成的OAM波束尺寸,从而进一步优化接收和探测效果。
此外,相较于光波而言, THz波不仅具备更强的穿透能力,而且受气候变化的影响更为有限,这对基于OAM技术的应用环境稳定性提供了重要保障。
这预示着OAM技术和THz波结合将在无线通信领域掀起一场革命性的变革。

相较于传统光波和微波技术而言，在太赫兹（THz）领域起步相对滞后且尚未形成完善的技术体系。为此，在实际应用中最为常用的依然是结构简单的螺旋相位板（SPP, Spiral Phase Plate）。近年来，在此基础上Zhou团队等专家创新性地将多个SPP与其相关空间组件相结合，并在0.3太赫兹频段实现了双模态叠加型复用光束的生成，在仅经过0.2米的距离传输后成功达到了8 Gbit/s的数据传输速率[18]。随后Su团队等在此研究基础上进一步引入了极化复用技术和分波复用技术，在同一频率范围内实现了两组不同的OAM模式、两种不同的偏振状态以及两个独立工作频率下的多重信道共存配置，并最终获得了每路信道平均达32 Gbit/s的实际数据传输能力[19]

当前限制影响THz-OAM通信系统发展的关键因素主要集中在微型化与集成化的硬件设备上。由于THz频段具有极短的波长特性，在微型化与集成化硬件设备方面具有显著优势。随着微型化与集成化加工技术的不断发展完善，在这一领域的各种关键组件性能也逐步得到优化提升。这些改进为基于这些组件构建的THz-OAM通信系统的发展奠定了基础。

该二维可扩展结构由亚太周期单元构成，在设计上展现出良好的扩展性特征。作为一种能够独立生成复用OAM波束的关键设备，在OAM通信系统的设计方案中显著降低了发射端的技术复杂度。根据最新研究数据显示，在2023年本课题组成功运用这一创新技术，在0.1 THz频段实现了双OAM模态叠加式的复用波束生成，并在此基础上构建了新型的OAM-DM通信系统，在仅延伸至0.3米的距离时就实现了高达10 Gbit/s的数据传输速率[20]。值得注意的是，在重构性能方面也具有显著优势。在2020年相关研究中发现,Wu等人通过改进介质单元设计方法,成功开发出一种新型可重构超表面,该设备采用机械旋的方式调节OAM波束的不同模态参数,最终实现了5种典型OAM模态的有效生成[21]。随着CMOS工艺技术的进步,近年来在太赫兹频段的应用也取得了重要进展。例如,在2021年Khan等人首次实现了一种新型UCA天线原型设计,并成功实现了三种不同模态下的连续级联输出,OAM波束生成效率得到了明显提升[22]。

目前围绕THz超表面与THz集成天线的研究仍处初期阶段。由于它们展现出显著的潜力，在THz-OAM通信系统中将发挥关键作用。

2 轨道角动量的传输特性

作为6G的关键技术之一，THz技术和OAM技术分别展现出显著的优势，在提升系统通信容量等方面表现尤为突出。通过对OAM波束在复杂环境如大气湍流和多径条件下的传输特性的研究，有助于构建THz-OAM信道的通用模型；从而为6G无线通信网络的设计与优化提供了理论支撑。

大气层是室外通信的主要物理介质，在此环境下产生的信号传输受到多种因素的影响。其中最为显著的就是大气湍流现象对通信信道性能的影响。这种湍流效应会导致温度、气压等气象条件的变化进而引起大气信道折射率出现随机波动。这种折射变化会直接影响到OAM波束的质量特性参数包括相位、传播方向以及幅度分布等参数值的变化可能导致信号能量发生不规则分布最终造成相邻模态间的能量泄漏问题严重情况下会引发严重的模态间串扰现象直至影响整个通信系统的质量表现如图4所示

多径效应则是室内通信中的一种主要干扰因素，在狭窄且障碍物较多的传播环境中信号沿不同路径传播最终在接收端叠加导致通信质量下降如图5所示

3 太赫兹轨道角动量技术面临的挑战

目前而言，在THz频段缺乏成熟的OAM波束产生与探测器件的情况下

此外，在THz频段中使用OAM波束时会遇到传播范围受限的问题。由于随着模式阶数的升高OAM波束的发散角也随之增大这使得高阶OAM模式在长距离通信系统中的应用受到限制。由此可见增宽天线孔径以提高天线增益是一种有效的解决方案以帮助降低OAM波束的发散度从而改善通信性能。此外贝塞尔函数与艾尔函数类比也是值得探讨的一类非衍射光模式它们同样具有减小发散角的能力并且能够在一定程度上提升基于OAM技术实现的通信系统的可行性[34-35]

就目前而言，尚未建立适用于 THz-OAM 波束的通用信道模型。

基于研究者们对 6G 关键技术的关注

4 结束语

OAM被视为一种新兴的电磁波维度，在信息传递过程中展现出广泛的应用潜力。它不仅能够作为新型信道使用，在特定场景下也可作为创新编码格式加入现有通信系统框架中。其与毫米波技术协同作用的可能性极大，在解决当前高频段频谱资源紧张问题方面具有重要价值。基于此设想提出的解决方案有望成为未来5G网络演进的关键创新方向之一，并为6G网络构建提供理论支撑基础。
本文系统梳理了OAM技术在信息传递中的应用场景及其相关研究进展，并重点分析了其在室内和室外环境下的传播特性差异性。针对不同工作场景特点提出了相应的抗干扰优化方案，在理论层面对现有THz-OAM通信系统的局限性进行了归纳总结，并对未来6G技术发展路径进行了深入探讨。