李楠,何通,鄭史烈**,楊航,沈棟輝,張鹿,余顯斌**
(1.浙江大學,浙江 杭州 310058;2.之江實驗室,浙江 杭州 311121)
隨著移動通信的快速發(fā)展,智能終端和各種新興應用不斷升級,無線數(shù)據(jù)流量急劇增加,驅(qū)動了下一代移動通信技術(6G)的研究。相比于現(xiàn)有的無線通信,6G技術期望在速度、延遲和容量方面帶來極大的飛躍,并構建人機物智慧互聯(lián)、智能體高效互通的新型網(wǎng)絡,最終實現(xiàn)“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的應用愿景。因此,通信頻段正在向具有海量帶寬資源的太赫茲頻段延伸,以解決當前無線通信的頻譜稀缺和帶寬限制的問題[1-2]。另一方面,人們也在不斷開發(fā)無線傳輸?shù)男戮S度,探索先進的調(diào)制方案和復用技術來進一步提高頻譜效率。其中,軌道角動量(OAM,Orbital Angular Momentum)憑借其完美的正交性可實現(xiàn)同時同頻多路信息調(diào)制,能極大提升無線通信系統(tǒng)的信息傳輸能力和太赫茲頻率的使用效率,解決容量提升問題[3]。
太赫茲(THz,Terahertz)波通常是指頻率在0.1~10 THz區(qū)間內(nèi)的電磁波。如圖1 所示,在整個電磁波譜中它位于微波和紅外波之間,具有很多獨特的性質(zhì)。與微波相比,太赫茲波帶寬大,能支持更高的通信速率。同時由于其頻率較高,波束相比毫米波更加集中,在進行高速數(shù)據(jù)傳輸時具有很好的保密性能。另一方面,與紅外通信相比,太赫茲波穿透力強,且波長短不易衍射,受大氣湍流影響較小。因此具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、兼具安全性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢的太赫茲通信在未來的6G 無線網(wǎng)絡中有很廣闊的應用前景[4-5]。
圖1 無線電頻譜示意圖
近年來,太赫茲通信系統(tǒng)不斷取得新突破,載波頻率不斷提高,通信速率大幅提升,通信距離不斷增大,收發(fā)系統(tǒng)也在逐步向集成化方向發(fā)展。然而,僅僅通過加載大帶寬信號來提升單用戶數(shù)據(jù)速率的方法給太赫茲器件和信號處理技術帶來了很大的挑戰(zhàn),面向應用的太赫茲通信需要向融合信道復用、先進調(diào)制格式等多技術的方向發(fā)展。
根據(jù)電動力學知識,電磁波不僅攜帶線動量,同時還具有角動量,其中OAM 描述的是電磁波繞傳播軸旋轉(zhuǎn)的特性,與粒子空間分布有關,宏觀表現(xiàn)為攜帶螺旋相位因子exp(-jlφ),其中l(wèi)表示OAM 模態(tài),φ為方位角[6]。不同模態(tài)的OAM 波束相互正交,可以作為獨立的信道進行信號傳輸。理論上,OAM 復用可以提供無限多正交基,因此在接收端不需要像MIMO 一樣借助復雜的信號處理技術,就能夠以很低的信道串擾進行分離。而且,OAM復用可與傳統(tǒng)正交維度如頻率、時間及極化等兼容,如圖2 所示,將有望滿足未來大容量傳輸?shù)男枨蟆?/p>
圖2 多種通信復用維度
自1992 年Allen 等人發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯光束攜帶軌道角動量以來,人們對各個頻段的OAM 特性、產(chǎn)生和應用展開了廣泛的研究[7]。在通信應用領域,J.Wang 等人在2012 年報道了自由空間中1.55 μm 波段的基于OAM 復用的高速光通信,結合極化復用實現(xiàn)了高達1.37 Tbit/s 的傳輸速率,系統(tǒng)頻譜效率為256 bit/s/Hz[8]。2013 年Bozinovic 等人利用特殊設計的光纖來傳輸OAM 光束,實現(xiàn)了1.1 km 的Tbit/s 的速率傳輸[9]。在微波頻段人們也展開了相關研究,2014 年Yan 等人在28 GHz 頻段復用了8 路OAM 信號(4 種OAM 模態(tài)且每種模態(tài)采用2 種極化),傳輸距離為2.5 m,傳輸速率和頻譜效率分別達到了32 Gbit/s 和16 bit/s/Hz[10]。2021 年日本移動通信公司NTT 成功演示了OAM 模態(tài)的11 路復用技術實驗,并實現(xiàn)在10 m的傳輸距離下達到200 Gbit/s的傳輸速率[11]。然而,在太赫茲頻段,由于缺少相應的波束調(diào)控器件,太赫茲OAM的研究起步相對較晚,直到近年來關于太赫茲OAM 的波束傳輸特性和通信系統(tǒng)才有一些探索,例如南加州Willner 教授課題組在0.3 THz 處實現(xiàn)了多路OAM 復用通信,并且對太赫茲波段的OAM 通信系統(tǒng)中由于大氣湍流、多徑效應、接收機孔徑受限等因素帶來的模間串擾做了相關研究[12-13]。盡管各種半導體、金屬材料器件及3D 打印、光刻等技術的發(fā)展可以應用于太赫茲波束調(diào)控,但目前的器件仍不能滿足超高性能太赫茲OAM 通信系統(tǒng)的要求,研制多功能集成化器件對促進太赫茲OAM 通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。
圖3 所示為太赫茲OAM 通信系統(tǒng)的典型架構圖。在發(fā)射端,加載有高速通信信號的多路太赫茲發(fā)射機分別經(jīng)過不同的OAM 產(chǎn)生/復用器件,目的是實現(xiàn)多路同軸傳輸?shù)腛AM 復用,經(jīng)過自由空間傳輸之后,在接收端首先對多路OAM 復用信道進行解復用,實現(xiàn)OAM 信道的分離,再通過太赫茲接收機接收并進行信號處理。目前,太赫茲OAM 通信系統(tǒng)中的關鍵器件主要包括以下三個方面:OAM 的產(chǎn)生與復用、解復用與檢測和OAM 波束的調(diào)控。
圖3 太赫茲OAM通信系統(tǒng)框圖
高效產(chǎn)生多模OAM 波束是實現(xiàn)高速OAM 通信的前提和基礎。典型實現(xiàn)OAM 產(chǎn)生和復用的方法包括螺旋相位板、天線陣列和超表面天線。
(1)螺旋相位板
螺旋相位板(SPP,Spiral Phase Plat)是指其厚度隨著方位角φ而變化的一種介質(zhì)板,設波長為λ,OAM 模態(tài)為l,SPP 折射率為n,則SPP 的厚度可表示為[14]:
因此平面波在經(jīng)過SPP 之后會攜帶有螺旋相位因子exp(-jlφ)。該方法最早來源于光學,由于結構簡單現(xiàn)已被廣泛應用于各個頻段。但該方法的局限性在于只能產(chǎn)生單一模態(tài)的OAM 波束,且方向不可控,在應用于復用系統(tǒng)時必須結合一系列空間光學元件,如反射鏡和合束器等,這會使得復用系統(tǒng)異常復雜,還會增大鏈路損耗。并且SPP 僅能在單頻點上實現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換,不利于實現(xiàn)寬帶OAM 通信。
(2)天線陣列
使用天線陣產(chǎn)生OAM 波束是一種較為成熟的方法,其中以圓形陣列天線(UCA,Uniform Circular Array)最為典型,該方法在微波頻段應用較為廣泛。UCA,顧名思義,就是將各個陣元天線分布在等距圓陣上,通過對等距排列的N個陣元饋以振幅相等、相位差滿足2πl(wèi)/N的電流,即可產(chǎn)生-N/2 (3)超表面天線 超表面通過人工設計的亞波長周期性結構單元改變?nèi)肷洳ǖ碾姶盘匦?,如相位、振幅和極化等,從而獲得反射或透射的OAM 波束。用超表面天線產(chǎn)生OAM 波束具有結構緊湊、厚度較薄、易于控制和集成的優(yōu)點,在近幾年取得了許多研究進展[17–19]。由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)流量的高要求,單一功能器件已無法滿足系統(tǒng)集成的需求,越來越多的研究關注于結合頻率、極化、空間等多種復用技術的多功能超表面。 為了拓展超表面的應用范圍,2014 年崔鐵軍教授課題組首次使用二進制數(shù)字編碼表征超材料,提出了編碼超表面的概念,通過改變編碼序列來操控電磁波的輻射和散射特性,大大簡化了設計流程和計算復雜度[20]。2022年李久生課題組設計了一種透射編碼超表面,可工作于雙頻段0.81 THz 和1.63 THz,能夠產(chǎn)生向不同方向傳播的不同模態(tài)的OAM 波束,有望應用于OAM 復用和頻分復用相結合的高速通信系統(tǒng)[21]。 盡管編碼超表面已具備將物理世界和信息科學連接的可能性,但上述超表面結構固定,一旦制備出來功能就無法進行更改,這大大限制了超表面的集成化發(fā)展。近年來隨著可編程材料的發(fā)展,可重構超表面已逐漸從微波領域發(fā)展到太赫茲領域,例如可以通過石墨烯、二氧化釩、液晶等材料來實現(xiàn)太赫茲波束的實時調(diào)控,在太赫茲通信和成像等領域都有著潛在的應用價值[22-23]。 在超表面領域,我們也做了深入研究。在0.1 THz 處采用多層透射結構,設計實現(xiàn)了OAM 復用超表面,可以產(chǎn)生特定模態(tài)的高純度多模OAM 波束,具有較好的寬帶性能,并成功將其應用于通信系統(tǒng)[24]。為了進一步滿足系統(tǒng)容量需求,考慮將OAM 復用與極化復用相結合,采用雙圓環(huán)結構設計實了反射型OAM 復用超表面,如圖4所示,能夠在0.1 THz 附近產(chǎn)生4 路獨立的雙極化OAM復用信道,并具有20%的相對工作帶寬,在應用于OAM復用通信時可大大減小系統(tǒng)復雜度。 圖4 使用雙極化反射超表面實現(xiàn)4路OAM復用 在接收端對攜帶不同OAM 模態(tài)的波束進行有效分離與接收是太赫茲OAM 通信系統(tǒng)的基礎之一,實現(xiàn)這一功能的方法包括反螺旋相位板和坐標變換法。 (1)反螺旋相位板 使用反螺旋相位板對OAM 波束進行解復用是一種較為常用的方法,該方法是基于共軛相位原理,如圖5所示,當存在模態(tài)分別為l1和l2的復用波束時,使用相位分布為exp(jl1φ) 的螺旋相位板可以將l1波束中的螺旋相位因子項exp(-jl1φ)抵消掉,從而將其轉(zhuǎn)換為高斯波束,而l2波束仍為OAM 波束,之后便可通過空間濾波將二者分離開來[10]。該方法同樣適用于更多模態(tài)OAM 波束的解復用。 圖5 使用反螺旋相位板對多模OAM波束解復用示意圖 (2)坐標變換法 坐標變換法涉及到的關鍵器件為重構板和糾正板,它的關鍵在于對渦旋光束實現(xiàn)從極坐標系到笛卡爾坐標系的幾何坐標變換,經(jīng)過坐標變換,太赫茲OAM 波束的相位梯度從角向分布轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€分布,然后利用一個聚焦透鏡將直線狀相位梯度變?yōu)榫劢构獍?,由于攜帶不同OAM 模態(tài)的波束將在透鏡后焦平面上不同位置形成光斑,從而實現(xiàn)對太赫茲OAM 多波束的解復用功能。圖6為使用重構板和補償板對OAM 波束解復用示意圖: 圖6 使用重構板和補償板對OAM波束解復用示意圖 坐標變換法可以成功分離多個模態(tài)疊加的太赫茲OAM 波束,對此華中科技大學在0.3 THz 處使用3D 打印的相位器件成功實現(xiàn)了復用OAM 波束的檢測和分離[25],文獻還表明當輸入波束的模態(tài)間隔越大時,它們在焦平面對應的聚焦位置也會間隔更遠。 對于坐標變換法,在0.1 THz 處進行了探索研究,研究發(fā)現(xiàn)重構板與糾正板之間的間距d與透鏡的焦距f也能改變OAM 波束在焦平面的位置,d的減小與f的增大均能有效增大兩模態(tài)在焦平面之間的距離,結果如圖7 所示??梢愿鶕?jù)應用場景的不同,靈活調(diào)整接收機的位置,因此坐標變換法是一種兼具靈活性與實用性的解復用太赫茲OAM 多波束的方法。 圖7 入射波束攜帶-3與+3模態(tài)在不同焦距f與間距d下的焦平面場分布 除了常見的拉蓋爾高斯波束外,高階貝塞爾波束和完美渦旋波束等也都攜帶OAM,并且具備獨特的性質(zhì),如無衍射特性等,可以改善OAM 通信系統(tǒng)中諸如傳播距離受限等問題。 貝塞爾波束是一種無衍射波束,其電場分布在傳播過程中保持不變,但理想的貝塞爾波束攜帶無窮大的能量,這在現(xiàn)實中是不存在的,在實際系統(tǒng)中,由于孔徑有限,只能獲得在天線近場范圍無衍射傳播的準貝塞爾波束[26]。盡管如此,準貝塞爾波束也能在一定程度上抑制普通OAM 波束的發(fā)散特性,從而在接收端降低對接收機孔徑的要求。使用軸棱錐是最常用的產(chǎn)生準貝塞爾波束的方法,而通過將錐透鏡相位和OAM 相位集成到超表面器件上即可獲得準無衍射OAM 波束,該方法具有器件尺寸小、結構緊湊、易于集成等優(yōu)點。 由拉蓋爾高斯波束的性質(zhì)可知,隨著拓撲荷數(shù)l的增大,其暗核中心也會隨之增大,這不利于高模態(tài)OAM 波束的應用。2013 年,Ostrovsky 等人使用空間光調(diào)制器得到了一種完美渦旋光束,其光場亮環(huán)半徑不隨拓撲荷值增大而改變[27]。2020 年,Yang 等人使用3D 打印相位元件產(chǎn)生了太赫茲完美渦旋波束[28]。利用完美渦旋波束可以在有限孔徑內(nèi)容納更多的OAM 模態(tài),這對于提升OAM通信信道容量是十分有利的。 為了利用完美渦旋波束在OAM 通信上的優(yōu)勢,我們也做了探索研究,首先使用多個SPP 和軸棱錐產(chǎn)生不同模態(tài)的高階貝塞爾波束,合束之后得到復合態(tài)貝塞爾波束,將其通過傅里葉透鏡變換即可得到完美渦旋波束,在接收端可以使用坐標變換法進行解復用,如圖8 所示。該方案可應用于OAM 通信系統(tǒng)。 近年來,關于太赫茲OAM 通信系統(tǒng)的研究越來越多。2021 年,南加州Alan Willner 課題組在0.3 THz 處分別使用兩個SPP 產(chǎn)生模態(tài)為+1 和-2 的OAM 波束,借助太赫茲反射鏡和合束器將它們調(diào)整為同軸傳輸?shù)膹秃螼AM波束,經(jīng)過自由空間傳輸0.2 m 后,在接收端使用反SPP對OAM 波束進行解復用,實現(xiàn)了8 Gbit/s 的通信速率[29]。同年,他們對該系統(tǒng)進行改進,結合極化復用和頻分復用,實現(xiàn)了8 通道傳輸?shù)?2 Gbit/s 的速率傳輸[30]。在基于SPP 的太赫茲OAM 通信系統(tǒng)中,多個空間光學元件的使用不但使得系統(tǒng)鏈路復雜,還會增大鏈路損耗,同時由于SPP 的寬帶性能較差,這些限制因素都不利于通信系統(tǒng)向高速化和集成化方向發(fā)展。 日本NTT 公司采用巴特勒矩陣和UCA 陣列實現(xiàn)了D-band 的高速OAM 復用通信,當空間傳輸距離為0.3 m時,傳輸速率可達102 Gbit/s[16]。但由于設計UCA 的饋電網(wǎng)絡具有一定的復雜性,這大大限制了UCA 的通用性。隨著系統(tǒng)向小型化和集成化的轉(zhuǎn)變,Su 等人提出了基于像素陣列的太赫茲集成電路,可以產(chǎn)生高純度的OAM 復用波束,隨后基于該器件實現(xiàn)了20 Gbit/s 的速率傳輸,傳輸距離為0.25 m[31]。最近我們使用工作頻率為0.1 THz 的透射超表面完成了2 路OAM 波束復用通信,每路信道搭載5 Gbaud 的OOK 信號,系統(tǒng)傳輸速率為10 Gbit/s[24]。 OAM 技術除了可應用于提升通信容量外,由于不同模態(tài)間的相互獨立正交的特性,它還可以應用于安全通信中,使用獨特的專用信道加密,實現(xiàn)強對抗環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。盡管OAM 復用技術在提升頻譜效率和抗干擾方面展現(xiàn)出了巨大的應用潛力,但為了充分利用OAM 調(diào)制自由度,仍有許多關鍵問題有待解決。 (1)產(chǎn)生多模態(tài)OAM 波束。理論上OAM 模態(tài)有無限多個,但在實際應用中,由于產(chǎn)生的OAM 波束純度較低,導致OAM 模態(tài)間存在串擾,在實現(xiàn)多個OAM 模態(tài)復用時性能會變差。另一方面,隨著OAM 階數(shù)的增加,波束發(fā)散程度會加劇,難以實現(xiàn)更多模態(tài)的復用。利用完美渦旋波束可在有限孔徑接收系統(tǒng)中容納更多的OAM模態(tài),這對于提升OAM 通信信道容量是十分有利的。因此研制高性能、集成化、多功能器件以實現(xiàn)高純度、多模態(tài)的OAM 波束復用是提升系統(tǒng)性能的關鍵所在。 (2)長距離傳輸光斑變大。由于OAM 波束的發(fā)散特性,當遠距離傳輸時光斑會變大,這無疑會提高對接收機孔徑的要求。在通信系統(tǒng)中可以通過引入外加透鏡抑制波束發(fā)散,或者在發(fā)射端結合相關器件產(chǎn)生無衍射波束,利用電磁波近場的無衍射特性,有望實現(xiàn)無線信號的定向保密傳輸,同時還可以帶來提高系統(tǒng)效率、抑制多徑干擾等優(yōu)點。 太赫茲OAM 技術能夠為通信網(wǎng)絡提供大帶寬和新的復用維度,同時具有安全性和穩(wěn)定性等優(yōu)點,具有廣闊的應用前景。本文首先介紹了太赫茲波的特點和OAM 波束,然后重點介紹了太赫茲OAM 通信系統(tǒng)中涉及到的關鍵器件,包括產(chǎn)生與復用、解復用與接收、特殊OAM 波束的調(diào)控,最后討論了基于不同器件的太赫茲OAM 通信系統(tǒng)特點,并分析了太赫茲OAM 通信系統(tǒng)中存在的一些關鍵問題及潛在解決方式。不難看出,研制先進的多功能集成化器件,以產(chǎn)生多模態(tài)、高純度、低發(fā)散的高性能OAM 波束對實現(xiàn)遠距離太赫茲OAM 通信有重要意義。2.2 解復用與接收
2.3 OAM波束的調(diào)控
3 基于不同器件的太赫茲OAM通信討論
4 結束語