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扭曲的通信 光的轨道角动量特性可极大提高数据速率

发布:editor阅读:861时间:2016-9-22 11:15:39

  24年前,研究者们发现了光的一些神奇特性:光属于一种波,能像螺丝刀那样在空间中以螺旋方式传播,并具有一种叫做轨道角动量(OAM)的动量形式。

  真了不起,是吧?确实如此。OAM的概念极大地启发了我们对电磁辐射能力的又一次想象。载有OAM的波束可以用来移动较小的物品,并且此类波束已经在提高显微镜分辨率方面发挥了作用。

  而有关OAM的探索也为我所研究的通信领域带来了最为显著的影响。具备不同“扭曲”形式的OAM波束不会互相干扰,也就意味着它们之间可以层层重叠,且理论上可以同时承载无限量的各类数据流。即使是传输和接收少量OAM波束的硬件也可以极大地提升光和无线电的传输能力,而且和今天的技术相比,无须对已经非常拥挤的电磁频谱提出更多的要求。的确,据我在洛杉矶南加州大学的团队和其他人的验证试验显示,其结果最终和理论预测的结果完全一致。

  如果你觉得OAM通信听上去很耳熟,那么你可能留意过几年前一则有关第一批OAM无线电示范项目的新闻。当时,一些工程师们认为这并不是一种新方法,只不过是同时发送多个波束的另一个策略的版本。但自此之后,人们越来越清晰地发现,OAM传输确实是一种有力的全新技术,能够在无线连接中传输更多的信息,并提高互联网中各个网络组成部分的网速。而技术方面的难题是要寻找驾驭OAM的好方法。这方面的工作最终得以开展。

  任何形式的电磁辐射均可以包含OAM,不论是无线电、可见光还是光谱中的其他光。但为了更好地说明OAM(同时也为避免每次都说“电磁辐射”),我们之后会将其简称为“光”。

  对于光来说,其最为奇特的一个特性就是它既包含能量,也包含动量,正如在空间中移动的普通实体对象那样,只不过光没有质量。和普通的实体对象一样,光碰到某样东西时也会产生力。例如,太阳能帆板即利用了光的这一特性,仅通过太阳光的推力即可实现在空间中的加速。光的“推力”(即线性动量)作用于其运动方向。但光同时还具备角动量。

  长期以来,唯一被经常讨论的动量形式是自旋角动量。要想了解其运作方式,可能需要先了解一些与偏振有关的背景知识。一束光所产生的电场会在光束的垂直方向上发生振荡。对于线偏振光而言,其电场通常会沿着一条固定的直线振荡;而对于圆偏振光,其电场振荡则是绕着光的运动方向旋转的。这类圆偏振光束带有自旋角动量,类似陀螺或绕中轴旋转的星球所发出的电磁场。值得注意的是,这种形式的动量还会产生扭矩:用带有自旋角动量的光线照射微观物体,可以使其旋转。

  1992年,物理学家李斯·雅伦(Les Allen)与汉·沃尔德曼(Han Woerdman)以及荷兰莱顿大学的其他同事指出:特定的螺旋式光束还载有另一种角动量形式,即OAM。如果把带有自旋角动量的光线比作一个旋转的星球,那么从物理模拟的角度来看,OAM光就像是绕着太阳公转的星球。OAM光也会产生扭矩,依据波束照射的位置不同,这种“扭曲作用力”可以使一个小物体旋转或绕着波束中心作轨道运动。

  并不是所有的光线都具有OAM。要想拥有OAM,光线必须要有一种特殊的相位波前。相位是电磁波的一部分,控制着电磁波到达波峰或波谷的时刻。要想更好地了解相位波前,可以想象有一束光。如果你看一下这束光的横截面,你就会很容易地把这束光视为许多“迷你波”的集合。若所有的迷你波在传播时都按照统一的方式振荡——就像普通的激光束那样——那么该光束就是一个平面波,拥有平面相位波前。在光束传播方向上的任意一点,其整个横截面只有一个相位值,即所有的迷你波都位于波峰或波谷或两者之间,位于两者之间的可能性最大。

  不过,光束的不同部分不一定必须拥有相同的相位。对于具有OAM的螺旋波来说,迷你波的光束横截面并不都是一样的。相反,每一个迷你波的相位均取决于其相对于光束中心的角度位置。如果你绕着中心转一圈,相位要么会稳定增长,要么会逐渐下降。

  为了更加直观地了解波束是如何“扭曲”的,可以想象一下在空间中运动的迷你波。起初,所有处于峰值的迷你波均会按照一定的角度排列,就像钟表的指针那样。很短的一段时间后,这些迷你波将不再处于峰值位置;另一组有着不同角度的迷你波会像钟表指针那样运动到峰值位置。这一过程会持续进行,因此如果你对迷你波峰值的角度位置进行跟踪,就会发现,迷你波会在运动过程中发生扭曲。为了更好地理解该相位行为是如何转化为运动表现的,可以想象一下霓虹灯招牌,招牌中的每一个灯泡都会按次序开关。如果程序正确,那么这些霓虹灯看上去就会像是按照同一个方向运动,即使这些灯泡根本就没有动过。OAM也是如此。波束中的每一个迷你波均按照稳定的方式振荡,但各迷你波峰值出现的时间次序会使相位波前发生扭曲,并在波束运动过程中产生螺旋。

  重要的是,如果你绕着波束横截面转一圈,相位变化越剧烈,扭曲程度就越大,OAM值也就越高。整个一圈的相位变化是360度的整数倍。

  这种扭曲的螺旋波很难被可视化,但却能够产生非常清楚的可视效果。对于传统波束来说,其中心最亮;而螺旋波束的横截面是一个环形,中心较暗。这是因为波束中心充满了各种相位的迷你波,且处于峰值的迷你波很有可能与处于低谷的迷你波发生部分重叠。相反的一对会通过相消干扰而相互抵消。

  螺旋波(也被称为涡旋波束)早在1992年之前就已被发现。但正如雅伦论文中所说的那样,认识到螺旋波拥有OAM,确是对光的一个重大发现。而许多物理学家原先都认为人类对光的特性已非常了解。在雅伦论文发表后的10年里,一个以物理学家为主力的小团队对OAM进行了研究,并试图了解其基本特性。而自此之后,参与的研究人员和受影响的技术领域的数量均大幅增加;谷歌学术搜索的数据显示,2015年共有5000多份与OAM有关的科研论文发表。

  其中一个相关领域就是通信领域,这是因为OAM的特性:具有不同OAM值的重叠波束基本会以相互“视而不见”的方式运动。用通信工程师和物理学家的话来说,这些OAM波束之间是正交关系。即每一个波束都是与众不同的。不能靠具有其他OAM值的波束来构建,且从本质上来说也无法与其他波束发生交互。

  这种正交关系意味着OAM波束可以在不发生互相干扰的情况下占据同一空间。确切地说,虽然理论上可以使用无限个具有不同OAM值的波束来承载信号,但实际上还是有限制的。一会儿我们再详细阐述。但重点在于,我们应能够将具有同样频率的多个波束相互重叠起来(也可以利用多重极化)。这对于整个通信领域来说是一个好消息,特别是对于无线电通信来说,因为频谱是一种极为宝贵的商品资源。

  OAM通信在2004年取得了一个巨大进展,当时的物理学家迈尔斯·帕吉特(Miles Padgett)及其同事发现,可以利用OAM波对数据进行编码,用不同的OAM值来代表不同的信息。之后的结果明确地表明,具有单一固定OAM值的波束可以作为一种数据信道——各类传统方式可以对其进行调制,用于承载信息。最直接的一种调制方法就是开关键控,利用波束的存在或缺失状态来代表“1”和“0”这两个数据位。

  2004年的进展打开了OAM在通信领域中众多应用的调查研究之门。我们小组是在2009年启动研究的,当时还获得了美国**高级研究计划局光子项目信息的资金支持。这一资金主要用于探索光子在成像、感测与通信方面的局限。我们的第一项调查研究是在自由空间里构建光链路,这种链路可用于计算机之间、建筑物之间或卫星和地面之间的直接数据传输。

  螺旋波束的创建和传输有多种方法。我们选择了一种较为传统的方式,尽可能多地采用现成的元件。发射器产生常规激光波束,之后通过一个液晶空间光线调制器进行传播,目的是造成波束扭曲。接收端的每一个OAM波束再通过一只反向的空间光线调制器,转变回平面波,再由传统的光学接收器恢复数据。

  2012年,我们发表了有关该方法的第一篇期刊文章。我们在试验中发出了32个具有相同频率的不同光束,每一个光束每秒可传输80吉比特的数据,并在实验室的短距离(1米)环境下进行传播。总的传输速率约为每秒2.5太比特,这对于自由空间通信来说还是相当高的,且有希望实现更长距离和更高速率的数据传输,因为本次试验我们仅用了一个频率。

  我们的试验论文发表于一个关键时期。论文发表前一年,一群来自意大利和瑞典的研究者们所开展的一项公开试验就已激发了业界的兴趣。跟随无线电先驱古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)的步伐,这些研究者们在2011年6月的一个晚上将OAM无线电波从圣乔治·马焦雷岛上的一个灯塔发送至约450米外位于威尼斯的另一栋建筑。

  然而,在该团队分享了其试验结果之后,却引发了一场针对技术本质的争吵。争论的焦点在于,OAM传输是一项新的技术,还是仅是当今无线电系统中传统多输入多输出传输技术(MIMO)的另一种形式。

  简要介绍一下,MIMO技术使用的是多个天线,每一个天线均发射独立的数据流,并利用多个接收器天线来捕获信号。发射器之间有一定的距离,接收器也是如此。但由于电磁波束会随着传播而发散,因此不同的波束通常会在到达目的地时发生重叠。这种“串扰”会减弱信号强度,但已知天线相对位置的数字信号处理流程可以抵消此影响。

  人们对威尼斯试验存有不同的看法,是因为MIMO和OAM所传输的多重波束会在空间中发生重叠,即一种叫做空间多工的传输形式,对于这一点,两种方法并没有什么本质的差别。然而,两种方法实际上却依赖不同的方式使信号的错认情况降到最低。MIMO技术利用数字信号处理器来抵消串扰的影响;而OAM多工则依靠波束本身的正交特性,可由单一地点发出,以避免串扰的发生。这两种不同的技术还能够相互共存;几年前我们便利用两个不同的毫米波天线——多输入——在4个OAM波束上实现了数据的传输。

  当前,有关OAM创新性的讨论已经尘埃落定,通信工程师们正在逐步接受该技术,并开展各类试验,继续发掘其潜力。相关研究可大致分为3个领域:自由空间光链路、传统射频无线传输和光纤通信。

  前两个领域发展较快。对于光链路来说,2014年维也纳大学的安东·蔡林格(Anton Zeilinger)和其他同事的报告指出,他们已经利用OAM光实现了数据的发送,包括在维也纳两个相距3公里的站点之间发送一张莫扎特的灰度图像。

  尽管其数据传输速率极低(仅为每秒4个像素),但该示范却具有重要的意义。因为它证明了自由空间OAM光通信是可行的,尽管大气的压力和温度会发生变化。大气的流动会不同程度地改变光束中迷你波的相位,以至于当传输只有一个OAM值的波束时,接收器端可能会呈现出多个不同的OAM值。

  数字信号处理与自适应光学(利用分离的波束来测量大气效应,以便修改纠正)有助于解决该问题。最近维也纳小组所做的一项试验证明了OAM在长距离中的传输。不过还不清楚OAM的首个实际应用究竟会在光通信中实现,还是无线电通信中实现。一方面,由于可视光的振荡频率远高于无线电波,因此OAM光束的数据传输速率更快。然而,可视光和红外波长对于大气条件更加敏感的特性却限制了光链路的实用性。

  如前所述,射频通信也面临着一系列挑战。根据波传播的基本规则,那些波长较长的波束比光束传播的范围更广。该特性降低了接收器可接收信号的功率。特别是远距离传播的波束。波长较长还意味着发射和接收天线需要有一定的规模,以便有效地创建和捕获无线电波束,这给小型——甚至是手持——系统的开发增加了一个新的挑战。

  重要的是,对于光和射频来说,很关键的一个挑战是信号的恢复。若仅仅捕获了波束中的一小部分,比如只有30度,那么就很难明确OAM波束的扭曲程度。波束中心可以在很小的空间范围内拥有全范围的相位变化,而这部分的信号非常少。难上加难的是,虽然理论上可以有无限量的OAM波束,但高阶OAM波束——更多扭曲——比低阶波束传播得更快。实际的部署还需要严谨的系统设计来支撑,可能也需要一定的波束调整——允许接收器在不处于波束中心的情况下进行感测并纠正定位。

  光纤通信也将面对自己独特的挑战。当OAM信号通过玻璃进行传输时,温度的变化和纤维的弯曲很容易造成波束相位的改变,使得在某些情况下出现一部分不同OAM值的波束。解决该问题的一种方法是利用“涡旋纤维”,这是几年前由波士顿大学的一个团队开发出来的。摒弃了传统光纤使用统一玻璃核心来引导波的做法,这种特殊纤维中所包含的波导管的横截面就像一个环形圈。OAM波束的大小取决于其扭曲程度,因此拥有不同OAM值的波束会与波导管有不同程度的重叠。而重叠的程度会改变OAM波束在光纤中的传播速度,有助于减少不同OAM值波束之间的交互。

  早期的结果还是很令人鼓舞的。不过也别指望这种OAM优化纤维能够很快被用在越洋光缆上;如果应用于光纤系统,那么这种纤维很有可能会首先出现在高性能计算和数据中心的短链路中。

  OAM链路是否能够流行起来取决于其硬件的研发。如今的示范项目更倾向于使用笨重且昂贵的组件,这不一定有助于OAM运行的优化。而对于基于OAM的系统来说,任何实际的部署行动均需要特别设计且性价比较高的全新小型组件。有几个研究小组正在对相关组件展开研究,如发射器和接收器,使其成为现实。例如,富士通的一个团队就提出了一种扁平贴片天线阵列,可以产生和捕获OAM无线电波,并可置于便携式系统内。还有其他一些团队正在研究一体化的OAM发生器和光波天线系统。

  与此同时,OAM技术也在其他领域有所应用,如荧光显微镜技术领域。一个普通的光束可以用于激发荧光分子;而环状的OAM波束可以用于把这些分子退激;但处于波束暗淡中心区域的分子除外。这项由诺贝尔奖得主斯特凡·赫尔(Stefan Hell)率先提出的技术,使得显微镜能够在更小的区域内解析特征。

  与传统系统相比可以更加安全地发送信息的量子通信,也可以利用OAM。如今的量子位来源于两种叠加极化状态——垂直和水平——下的光子。不过,OAM不仅仅是电磁波的一个特性,也是单个光子的量子特性。单个的光子可以拥有多个OAM值,可用于提高量子链路的容量。纽约罗切斯特大学的罗伯特·博伊德(Robert Boyd)展示了利用OAM的量子通信系统,这一系统可以在每个光子上携带不止1比特的信息。

  对于发展历程不足25年的领域来说,OAM研究已经算是走得比较远了,但也只是刚刚开始而已。10年后,我们会对OAM的潜力和新的应用方式有更加清晰的了解。如果事情的发展如我们所愿,也许将来,你就会通过通信链路中的这些扭曲,读到那些相关应用的信息了。

  来源: IEEE中国

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