OAM轨道角动量调制ppt课件

例如：
u m (r,,z )u 'n (r,,z )rd r d { 0 ,|u n m |m 2 r d r d ,n m
OAM的正交性使得对于多模态的OAM复用系统，理论上在接收端可 以通过一组滤波器对不同模态的OAM光束进行完美分离和检测。
Hale Waihona Puke Baidu
b.安全性。利用OAM承载信息具有很好的安全性。这种安全性归功于 OAM的拓扑荷和方位角之间的不确定关系。
传统的调制技术，使用频率、时间、码型和空间等资源作为自由度， 而OAM调制技术将载波携带的OAM模式作为调制参数。利用OAM模 式内在的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式 的不同区分不同的信道。由于具有OAM的螺旋波束可以构成无穷维 的希尔伯特空间，因此理论上同一载频利用OAM复用可获得无穷的 传输能力。
OAM复用的频谱利用率远远高于LTE、802.11n和DVB-T
通信类型 频谱利用率 传输速率
OAM
95.5bit· s-1·Hz-1
2.56 Tbit·s-1
LTE
16.32bit· s-1·Hz-1
326.4 Mbit·s-1
802.11n
2.4bit· s-1·Hz-1
144.4 Mbit·s-1
1.OAM轨道角动量研究背景
自1992年光的轨道角动量（OAM）由Allen等人提出以来，就受到 人们的广泛关注，尤其在发现可以通过对OAM进行调制来传递信息 之后，利用OAM进行FSO(自由空间光通信，free-space optical communication)通信掀起了世界性的研究热潮。
OAM轨道角动量介绍
内容提要:
1 OAM轨道角动量研究背景
1.1 OAM的基本概念 1.2 OAM的特性
2 基于OAM的信息传输系统
2.1 OAM键控 2.2 OAM复用 2.3 产生方式 2.4 应用实例
3 OAM在无线通信中的应用
3.1 研究现状 3.2 基本原理 3.3 产生方式 3.4 电磁涡旋波的复用

优点：
高比特率
高光谱效率
低误码率

缺点：
系统复杂
成本高
2.3 产生方式
激光谐振腔 螺旋位相片 全息图 柱面镜模式转换器
2.4 应用实例
接下来用两个实际系统模型：基于单光束动态全息图的OAM-SK和 基于多光束静态全息图的OAM-DM来讲解上面的两种原理。
基于OAM-SK的传输实例
基于连续单激光器和动态全息图的OAM-SK
优点：

系统简单

光源数量少

可任意改变拓扑荷
缺点：

空间光调制器的刷新频率较低
2.2 OAM复用
这种方法通过调制光源阵列，然后再通过空间光调制器，将其转换 为携带轨道角动量的螺旋光束，这样就将信息加载到具有不同轨道角动 量的光束中。
基于时间变化的入射和静态全息图的OAM-DM
topological charge,简称TC）。
1.1 OAM的基本概念
当光束的场强函数含有与空间方位角有关的相位因子 e i l 时，每个光
子具有值为 l h 的轨道角动量。
轨道角动量：由于光束具有螺旋形相位结构而产生的角动量。
空间方位角： a rc ta n (y /x )= a rc ta n (z /r)
调制原理：
由单个高斯光束使用空间光调制器而产生不同拓扑荷涡旋光束叠加
而形成混合涡旋光束，其形式为： U
M
aluleil
，以此作为信息载体。
近年来发现，当光束含有角相关的相位分布（扭转相位或螺旋相位）时， 此类光束具有与角向相位分布有关的角动量，被称为轨道角动量，携带轨道 角动量的光束被称为“光学涡旋”（optical vortices）, 它是一类具有螺旋
相位波前或相位奇点的特殊光场，其相位分布函数中常含有与旋转方位角 成正比的ex项p(il ) l ， 通常是整数，又被称作光学涡旋的拓扑荷（
本征态：其值为 l h （ l 为本征值）用以衡量和区分OAM的不同模态
。
2
拓扑荷：表示绕光束闭合回路一周线积分为 整数2 倍的个数，直观 l 上为光束沿轴向传播一个波长时其螺旋波前旋转 的次数。其值用
衡量。
1.2 OAM的特性
a.正交性。不同模态的OAM光束相互正交，可将一组不同模态的OAM 光束作为信号调制的正交基。
TVB-T
0.55bit· s-1·Hz-1
31.668 Mbit·s-1
1.1 OAM的基本概念
近年来的研究表明，光束具有两种角动量，一种是由于光束的偏振特性产 生的角动量，另一种是由于光束具有螺旋相位结构而产生的轨道角动量。
1936年Beth使圆偏振光通过一个用石英光纤悬挂的半波带板，首先观察 到了由于光束圆偏振特性引起的角动量，并通过精确测量光纤的扭矩发现此 角动量与量子自旋有关。
OAM键控： 保持光源不变，通过动态器件（如SLM）改变OAM的状态，信息被
编码加载到OV光束的OAM状态上，类似于数字通信中的键控调制。
OAM复用： OAM状态是固定的，OV光束用做信息的载体，全息图保持静止而
多个光源通过调制加载数据。
2.1 OAM键控
理论上OV光束有无限个本征态，对应无限个拓扑荷值，因此， OAM代表的比特数也没有上限。对于这种方法，保持光源不变，通 过动态器件（如SLM），信息被编码加载到OV光束的OAM状态。如 OAM的每个本征态可代表编码信号{000,001,010,011,100,101,110,111} 中的一个。进一步，当OAM的N个本征态用于通信时，每个态代表log2 N 个比特的信号。
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c.多维量子纠缠。2001年Mair等人在自发参数转换产生的光子对中， 观察到OAM纠缠态，揭示了OAM的量子本质。相对于传统的“0”、 “1”bit的二维纠缠，OAM的本征态的数目无限，可以实现任意维度 的纠缠。
2 基于OAM的传输系统
OAM作为一个新的自由度，已成为FSO系统中调制编码的新方法。 OAM编码即设计信息比特与OAM态之间的映射方式。目前OAM在 FSO系统中的应用机制主要有两种：OAM键控（OAM-SK）和OAM 复用（OAM-DM）。