说到电磁波特性，你会怎么想？范围？相位？频率？还有什么？你认为电磁波真的只是纸上画的各种正弦波吗？你知道电磁波是矢量特性吗？本文将介绍基于电磁波矢量特性的轨道角动特性的发展，并带您了解电磁波未知的另一面。
根据经典的电动力学理论，电磁辐射不仅携带线动量，还携带角动量，其中角动量由自旋角动量驱动（Spin Angular Momentum，SAM）轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）组成。自旋角动量仅与光子自旋有关，表现为圆偏振状态。
图1
轨道角动量表示电子绕传输轴旋转，由能量流（由坡印廷矢量描述）围绕光轴旋转产生。它使电磁波的相位波呈涡旋状。因此，带有轨道角动量的电磁波也称为涡旋电磁波。
图2 轨道角动量示意图
将轨道角动量应用于电磁波中，并在正常电磁波中添加相位旋转因子。此时，电磁波不再是平面结构，而是绕波束传输方向旋转，呈现螺旋相位结构。涡旋波每绕传输轴旋转一次，相位波向前移动。
图3 波前和等相位图在不同下
1992年，Allen[1]等人证实了轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）因此，人们开始讨论轨道角动量的应用。最初，轨道角动量的应用主要在光通信领域。2014年，维也纳实现了携带OAM自由空间中的光波3km误码率小于传输1.7%[2]
图4 在维也纳进行OAM传输实验
2007年，瑞典空间物理研究所Thidé B[3]教授等人***提出将光子OAM应用于低频，通过模拟验证可以使用相控阵列天线产生涡旋电磁波，创造了之一个应用于无线通信的轨道角动量，提出了扩大无线通信容量的想法。
Mohammadi S M等人[4]使用相控阵列天线产生涡旋电磁波29.98MHz实验表明，当圆阵列天线直径越大时，波瓣图中两个对称主瓣之间的夹角减小，图案变得更加直，旁瓣数量增加。由于旁瓣的角度比主瓣宽得多，不会沿波束轴检测到，但旁瓣的增加会导致能量分散，因此可以通过合理设计天线直径来控制OAM传播的方向性。除了相控阵列天线外，无线通信领域还有许多涡旋波生成 *** ，如阶梯反射面天线[4，5]和螺旋抛物面天线[6-9]、时间开关相控阵列天线阵列法[10]等。
图5
目前在无线通信领域，对OAM本研究主要集中在如何利用复用技术提高频谱利用率和传输效率。2011年，Fabrizio Tamburini其他人在意大利威尼斯使用螺旋抛物面天线和八木天线***这一次验证了涡旋波在无线通信复用传输中的可能性，通过442米传输[11]。文献[12]使用不同的状态OAM复用传输可以实现***32Gbit/s传输速率和16Gbit/s/Hz频谱效率。
图6 威尼斯实验
单模光纤传输广泛应用于光纤通信领域，传统单模光纤支持的传输模式必须是基模。螺旋相位波前的涡旋波在单模光纤中传输，由于模式简单，退化为平面波，只能依靠特殊光纤传输OAM信道。2013年，Alan E. Willner团队使用特殊设计的光纤传输OAM实现了光束1.6 Tbit/s光信息传输，传输光纤长1.1km，这项研究是基于未来OAM光通信技术的光纤传输提供了可能性[13]。然而，特殊光纤的设计和生产成本较高，不利于推广和使用，也不利于与现有 *** 的进一步整合。因此，有必要OAM光纤通信领域仍难以应用技术。
结语
轨道角动量特性作为电磁波的矢量特性，具有广阔的发展前景，不仅可以用于提高频谱利用率，提高传输速率，而且在无线传输安全保密通信领域具有良好的研究价值。
参考文献
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[11]Fabrizio Tamburini,Elettra Mari,Anna Sponselli,et al. Encoding many channels in the same frequency through radio vorticity: first experimental test[J]. New Journal of Physics,2011,14(3):811-815.
[12]Zhao Z,Yan Y,Li L,et al. A dual-channel 60 GHz communications link using patch antenna arrays to generate data-carrying orbital-angular-momentum beams[C]// IEEE International Conference on Communications. IEEE,2016:1-6.
[13]Nenad Bozinovic,Siddharth Ramachandran. Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers.[J]. Science (New York,N.Y.),2013,340(6140):1545-8.
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