中國實現OAM電磁波傳輸27.5公里 國外沒超過1公里

【文/觀察者網】觀察者網近日從清華大學航天航空學院航電實驗室獲悉，2016年12月，該實驗室成功完成世界首次微波頻段軌道角動量（OAM）電磁波27.5公里長距離傳輸實驗。此前公開報道顯示，國外類似實驗基本沒有超過1公里。

該實驗由清華大學航電實驗室承擔，同時獲得了中國航天科工集團二院二部、北京遙感設備研究所等相關單位的大力支持。微波頻段OAM電磁波長距離傳輸實驗成功不僅標誌著我國在該領域的研究水平已經躍居國際前列，自主創新成果達到世界領先水平，而且為我國未來長距離大容量OAM電磁波空間傳輸研發奠定了關鍵理論和技術基礎，從此開創了我國在國際上引領長距離電磁波軌道角動量傳輸研究和發展的新局面。

什麼是軌道角動量電磁波？

軌道角動量電磁波顧名思義是具有軌道角動量的電磁波（普通平面電磁波軌道角動量為零），又稱渦旋電磁波。這種電磁波具有螺旋相位面（如圖1，OAM波的波前方向與傳播軸呈螺旋狀）。因為同頻率電磁波擁有不同軌道角動量（即不同的螺旋相位面）可以正交傳輸，互不干擾，所以近年來軌道角動量被認為是電磁波新的維度空間，用以增加信道容量，使得電磁波攜帶信息的能力大幅提高。

圖1 軌道角動量電磁波與常規電磁波示意圖

目前大家常用的移動通信（2G、3G、4G，甚至未來的5G）、廣播電視、衛星通信和導航等均可認為是利用的是平面電磁波（球面波的遠距離近似），其等相位面與傳播軸垂直。這樣的電磁波自100多年前馬可尼首次利用無線電波進行無線通信開始便加以利用，時至今日仍無多大變化，接收時主要用天線接收電磁波的電場強度，進而由電場強度的變化引入頻率，變化的先後引入相位。能利用的維度一直局限於時間域、頻率域、空域、碼域、功率域，即使不久的將來要布設的第五代（5G）移動通信，也沒有超出以上域的限制。根據資訊理論中著名的香農公式可以看出，如果沒有產生新的域的話，信道容量的提升將變得非常困難。

專家對觀察者網指出，目前人類對電磁波的了解和利用還非常的粗淺，就如同汪洋大海中只認識了一個小水窪。電磁波軌道角動量就是區別於電場強度的又一個物理量，如果能將該物理量善加利用，則可以大幅度地提升電磁波的傳輸和探測能力。

普通電磁波軌道角動量長距離傳輸技術

世界上開始關注電磁波軌道角動量是從光領域開始的，1992年美國科學家Allen等人根據麥克斯韋方程組證明了光學渦旋在近軸傳播時具有確定的軌道角動量，該結論提出後得到了各國科學家大量關注。目前已經有自由空間光傳輸最高紀錄已經達到143公里（奧地利），傳輸容量超過Gbps（德國）的公開報道。

從應用的角度看，普通電磁波（頻率低於300GHz）已經大量應用於通信、導航、探測領域，如果能在普通電磁波領域獲得長距離大容量OAM的傳輸能力，其結果將十分誘人。然而，由於普通軌道角動量電磁波波束更加發散，且波束中心存在凹陷（中心能量為零），整個軌道角動量電磁波波束呈現中空的倒錐形，且隨著傳輸距離的增大，環形波束的半徑越來越大。對這種電磁波的接收，現有的方法是採用一個大口徑的天線（或天線陣）將整個環形波束接收下來。隨著傳輸距離增大，所需接收天線尺寸也越來越大。這種接收方法在長距離傳輸時變得異常困難，比如10公里的傳輸，天線口徑將達到100米以上；100公里的傳輸，則需要1km半徑天線！

從文獻報道中能看到的該領域進展十分有限，2007年瑞典空間物理研究所科學家B.Thide等人通過天線陣列的數值模擬驗證了低頻電磁波（頻率低於1GHz）同樣可以產生軌道角動量。2011年，義大利帕多瓦大學學者Fabrizio Tamburini等人利用在2.4GHz頻點實現了對電磁波OAM的產生與測量，在442米的威尼斯湖面上實現了OAM電磁波傳輸。之後的一些零星公開報道顯示普通電磁波OAM傳輸實驗基本沒有超過1公里。

中國此次實驗的技術創新與突破

清華大學航電實驗室對觀察者網表示，經過3年時間潛心研究，提出了一套僅利用部分波陣面接收的電磁波軌道角動量的傳輸方法，可在空間中有限區域實現電磁波不同軌道角動量模式的檢測和區分，突破了普通軌道角動量電磁波長距離傳輸的理論和關鍵技術。為了驗證這種部分接收方法長距離傳輸的有效性，實驗室於2016年底前，先後成功完成1公里傳輸（昌平虎峪）、7.3公里傳輸（清華大學至百望山）、13.6公里傳輸（清華大學至香山），以及此次的27.5公里傳輸（10GHz，清華大學至千靈山）。目前，清華大學航電實驗室正在聯合有關單位，進行距離超過100公里的長距離傳輸實驗。

該領域權威專家對觀察者強調，中國此次完成世界首次微波頻段軌道角動量電磁波長距離傳輸實驗對未來OAM電磁波發展應用有十分重要和積極的意義，特別是在未來空間長距離電磁波通信、導航、探測，以及下一代移動通信技術發展，提供了具有自主知識產權的理論和技術儲備。另外，電磁波OAM量子態最近也被大家廣泛關注，OAM量子態具有很多普通量子態所不具備的優點。長距離傳輸實驗成功也為未來微波量子OAM態的長距離傳輸應用提供了有益的思路。