太赫兹轨道角动量通信关键器件研究进展*

李楠，何通，郑史烈**，杨航，沈栋辉，张鹿，余显斌**

（1.浙江大学，浙江 杭州 310058；2.之江实验室，浙江 杭州 311121）

0 引言

随着移动通信的快速发展，智能终端和各种新兴应用不断升级，无线数据流量急剧增加，驱动了下一代移动通信技术（6G）的研究。相比于现有的无线通信，6G技术期望在速度、延迟和容量方面带来极大的飞跃，并构建人机物智慧互联、智能体高效互通的新型网络，最终实现“万物智联、数字孪生”的应用愿景。因此，通信频段正在向具有海量带宽资源的太赫兹频段延伸，以解决当前无线通信的频谱稀缺和带宽限制的问题[1-2]。另一方面，人们也在不断开发无线传输的新维度，探索先进的调制方案和复用技术来进一步提高频谱效率。其中，轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）凭借其完美的正交性可实现同时同频多路信息调制，能极大提升无线通信系统的信息传输能力和太赫兹频率的使用效率，解决容量提升问题[3]。

1 太赫兹波的特点及轨道角动量

太赫兹（THz,Terahertz）波通常是指频率在0.1～10 THz区间内的电磁波。如图1 所示，在整个电磁波谱中它位于微波和红外波之间，具有很多独特的性质。与微波相比，太赫兹波带宽大，能支持更高的通信速率。同时由于其频率较高，波束相比毫米波更加集中，在进行高速数据传输时具有很好的保密性能。另一方面，与红外通信相比，太赫兹波穿透力强，且波长短不易衍射，受大气湍流影响较小。因此具有高数据传输速率、兼具安全性和稳定性等优势的太赫兹通信在未来的6G 无线网络中有很广阔的应用前景[4-5]。

图1 无线电频谱示意图

近年来，太赫兹通信系统不断取得新突破，载波频率不断提高，通信速率大幅提升，通信距离不断增大，收发系统也在逐步向集成化方向发展。然而，仅仅通过加载大带宽信号来提升单用户数据速率的方法给太赫兹器件和信号处理技术带来了很大的挑战，面向应用的太赫兹通信需要向融合信道复用、先进调制格式等多技术的方向发展。

根据电动力学知识，电磁波不仅携带线动量，同时还具有角动量，其中OAM 描述的是电磁波绕传播轴旋转的特性，与粒子空间分布有关，宏观表现为携带螺旋相位因子exp(-jlφ)，其中l表示OAM 模态，φ为方位角[6]。不同模态的OAM 波束相互正交，可以作为独立的信道进行信号传输。理论上，OAM 复用可以提供无限多正交基，因此在接收端不需要像MIMO 一样借助复杂的信号处理技术，就能够以很低的信道串扰进行分离。而且，OAM复用可与传统正交维度如频率、时间及极化等兼容，如图2 所示，将有望满足未来大容量传输的需求。

图2 多种通信复用维度

自1992 年Allen 等人发现拉盖尔高斯光束携带轨道角动量以来，人们对各个频段的OAM 特性、产生和应用展开了广泛的研究[7]。在通信应用领域，J.Wang 等人在2012 年报道了自由空间中1.55 μm 波段的基于OAM 复用的高速光通信，结合极化复用实现了高达1.37 Tbit/s 的传输速率，系统频谱效率为256 bit/s/Hz[8]。2013 年Bozinovic 等人利用特殊设计的光纤来传输OAM 光束，实现了1.1 km 的Tbit/s 的速率传输[9]。在微波频段人们也展开了相关研究，2014 年Yan 等人在28 GHz 频段复用了8 路OAM 信号（4 种OAM 模态且每种模态采用2 种极化），传输距离为2.5 m，传输速率和频谱效率分别达到了32 Gbit/s 和16 bit/s/Hz[10]。2021 年日本移动通信公司NTT 成功演示了OAM 模态的11 路复用技术实验，并实现在10 m的传输距离下达到200 Gbit/s的传输速率[11]。然而，在太赫兹频段，由于缺少相应的波束调控器件，太赫兹OAM的研究起步相对较晚，直到近年来关于太赫兹OAM 的波束传输特性和通信系统才有一些探索，例如南加州Willner 教授课题组在0.3 THz 处实现了多路OAM 复用通信，并且对太赫兹波段的OAM 通信系统中由于大气湍流、多径效应、接收机孔径受限等因素带来的模间串扰做了相关研究[12-13]。尽管各种半导体、金属材料器件及3D 打印、光刻等技术的发展可以应用于太赫兹波束调控，但目前的器件仍不能满足超高性能太赫兹OAM 通信系统的要求，研制多功能集成化器件对促进太赫兹OAM 通信系统的发展具有重要意义。

2 太赫兹OAM通信关键器件

图3 所示为太赫兹OAM 通信系统的典型架构图。在发射端，加载有高速通信信号的多路太赫兹发射机分别经过不同的OAM 产生/复用器件，目的是实现多路同轴传输的OAM 复用，经过自由空间传输之后，在接收端首先对多路OAM 复用信道进行解复用，实现OAM 信道的分离，再通过太赫兹接收机接收并进行信号处理。目前，太赫兹OAM 通信系统中的关键器件主要包括以下三个方面：OAM 的产生与复用、解复用与检测和OAM 波束的调控。

图3 太赫兹OAM通信系统框图

2.1 产生与复用

高效产生多模OAM 波束是实现高速OAM 通信的前提和基础。典型实现OAM 产生和复用的方法包括螺旋相位板、天线阵列和超表面天线。

（1）螺旋相位板

螺旋相位板（SPP,Spiral Phase Plat）是指其厚度随着方位角φ而变化的一种介质板，设波长为λ，OAM 模态为l，SPP 折射率为n，则SPP 的厚度可表示为[14]：

因此平面波在经过SPP 之后会携带有螺旋相位因子exp(-jlφ)。该方法最早来源于光学，由于结构简单现已被广泛应用于各个频段。但该方法的局限性在于只能产生单一模态的OAM 波束，且方向不可控，在应用于复用系统时必须结合一系列空间光学元件，如反射镜和合束器等，这会使得复用系统异常复杂，还会增大链路损耗。并且SPP 仅能在单频点上实现模态转换，不利于实现宽带OAM 通信。

（2）天线阵列

使用天线阵产生OAM 波束是一种较为成熟的方法，其中以圆形阵列天线（UCA，Uniform Circular Array）最为典型，该方法在微波频段应用较为广泛。UCA，顾名思义，就是将各个阵元天线分布在等距圆阵上，通过对等距排列的N个阵元馈以振幅相等、相位差满足2πl/N的电流，即可产生-N/2

（3）超表面天线

超表面通过人工设计的亚波长周期性结构单元改变入射波的电磁特性，如相位、振幅和极化等，从而获得反射或透射的OAM 波束。用超表面天线产生OAM 波束具有结构紧凑、厚度较薄、易于控制和集成的优点，在近几年取得了许多研究进展[17–19]。由于现代通信系统对数据流量的高要求，单一功能器件已无法满足系统集成的需求，越来越多的研究关注于结合频率、极化、空间等多种复用技术的多功能超表面。

为了拓展超表面的应用范围，2014 年崔铁军教授课题组首次使用二进制数字编码表征超材料，提出了编码超表面的概念，通过改变编码序列来操控电磁波的辐射和散射特性，大大简化了设计流程和计算复杂度[20]。2022年李久生课题组设计了一种透射编码超表面，可工作于双频段0.81 THz 和1.63 THz，能够产生向不同方向传播的不同模态的OAM 波束，有望应用于OAM 复用和频分复用相结合的高速通信系统[21]。

尽管编码超表面已具备将物理世界和信息科学连接的可能性，但上述超表面结构固定，一旦制备出来功能就无法进行更改，这大大限制了超表面的集成化发展。近年来随着可编程材料的发展，可重构超表面已逐渐从微波领域发展到太赫兹领域，例如可以通过石墨烯、二氧化钒、液晶等材料来实现太赫兹波束的实时调控，在太赫兹通信和成像等领域都有着潜在的应用价值[22-23]。

在超表面领域，我们也做了深入研究。在0.1 THz 处采用多层透射结构，设计实现了OAM 复用超表面，可以产生特定模态的高纯度多模OAM 波束，具有较好的宽带性能，并成功将其应用于通信系统[24]。为了进一步满足系统容量需求，考虑将OAM 复用与极化复用相结合，采用双圆环结构设计实了反射型OAM 复用超表面，如图4所示，能够在0.1 THz 附近产生4 路独立的双极化OAM复用信道，并具有20%的相对工作带宽，在应用于OAM复用通信时可大大减小系统复杂度。

图4 使用双极化反射超表面实现4路OAM复用

2.2 解复用与接收

在接收端对携带不同OAM 模态的波束进行有效分离与接收是太赫兹OAM 通信系统的基础之一，实现这一功能的方法包括反螺旋相位板和坐标变换法。

（1）反螺旋相位板

使用反螺旋相位板对OAM 波束进行解复用是一种较为常用的方法，该方法是基于共轭相位原理，如图5所示，当存在模态分别为l1和l2的复用波束时，使用相位分布为exp(jl1φ) 的螺旋相位板可以将l1波束中的螺旋相位因子项exp(-jl1φ)抵消掉，从而将其转换为高斯波束，而l2波束仍为OAM 波束，之后便可通过空间滤波将二者分离开来[10]。该方法同样适用于更多模态OAM 波束的解复用。

图5 使用反螺旋相位板对多模OAM波束解复用示意图

（2）坐标变换法

坐标变换法涉及到的关键器件为重构板和纠正板，它的关键在于对涡旋光束实现从极坐标系到笛卡尔坐标系的几何坐标变换，经过坐标变换，太赫兹OAM 波束的相位梯度从角向分布转变为直线分布，然后利用一个聚焦透镜将直线状相位梯度变为聚焦光斑，由于携带不同OAM 模态的波束将在透镜后焦平面上不同位置形成光斑，从而实现对太赫兹OAM 多波束的解复用功能。图6为使用重构板和补偿板对OAM 波束解复用示意图：

图6 使用重构板和补偿板对OAM波束解复用示意图

坐标变换法可以成功分离多个模态叠加的太赫兹OAM 波束，对此华中科技大学在0.3 THz 处使用3D 打印的相位器件成功实现了复用OAM 波束的检测和分离[25]，文献还表明当输入波束的模态间隔越大时，它们在焦平面对应的聚焦位置也会间隔更远。

对于坐标变换法，在0.1 THz 处进行了探索研究，研究发现重构板与纠正板之间的间距d与透镜的焦距f也能改变OAM 波束在焦平面的位置，d的减小与f的增大均能有效增大两模态在焦平面之间的距离，结果如图7 所示。可以根据应用场景的不同，灵活调整接收机的位置，因此坐标变换法是一种兼具灵活性与实用性的解复用太赫兹OAM 多波束的方法。

图7 入射波束携带-3与+3模态在不同焦距f与间距d下的焦平面场分布

2.3 OAM波束的调控

除了常见的拉盖尔高斯波束外，高阶贝塞尔波束和完美涡旋波束等也都携带OAM，并且具备独特的性质，如无衍射特性等，可以改善OAM 通信系统中诸如传播距离受限等问题。

贝塞尔波束是一种无衍射波束，其电场分布在传播过程中保持不变，但理想的贝塞尔波束携带无穷大的能量，这在现实中是不存在的，在实际系统中，由于孔径有限，只能获得在天线近场范围无衍射传播的准贝塞尔波束[26]。尽管如此，准贝塞尔波束也能在一定程度上抑制普通OAM 波束的发散特性，从而在接收端降低对接收机孔径的要求。使用轴棱锥是最常用的产生准贝塞尔波束的方法，而通过将锥透镜相位和OAM 相位集成到超表面器件上即可获得准无衍射OAM 波束，该方法具有器件尺寸小、结构紧凑、易于集成等优点。

由拉盖尔高斯波束的性质可知，随着拓扑荷数l的增大，其暗核中心也会随之增大，这不利于高模态OAM 波束的应用。2013 年，Ostrovsky 等人使用空间光调制器得到了一种完美涡旋光束，其光场亮环半径不随拓扑荷值增大而改变[27]。2020 年，Yang 等人使用3D 打印相位元件产生了太赫兹完美涡旋波束[28]。利用完美涡旋波束可以在有限孔径内容纳更多的OAM 模态，这对于提升OAM通信信道容量是十分有利的。

为了利用完美涡旋波束在OAM 通信上的优势，我们也做了探索研究，首先使用多个SPP 和轴棱锥产生不同模态的高阶贝塞尔波束，合束之后得到复合态贝塞尔波束，将其通过傅里叶透镜变换即可得到完美涡旋波束，在接收端可以使用坐标变换法进行解复用，如图8 所示。该方案可应用于OAM 通信系统。

3 基于不同器件的太赫兹OAM通信讨论

近年来，关于太赫兹OAM 通信系统的研究越来越多。2021 年，南加州Alan Willner 课题组在0.3 THz 处分别使用两个SPP 产生模态为+1 和-2 的OAM 波束，借助太赫兹反射镜和合束器将它们调整为同轴传输的复合OAM波束，经过自由空间传输0.2 m 后，在接收端使用反SPP对OAM 波束进行解复用，实现了8 Gbit/s 的通信速率[29]。同年，他们对该系统进行改进，结合极化复用和频分复用，实现了8 通道传输的32 Gbit/s 的速率传输[30]。在基于SPP 的太赫兹OAM 通信系统中，多个空间光学元件的使用不但使得系统链路复杂，还会增大链路损耗，同时由于SPP 的宽带性能较差，这些限制因素都不利于通信系统向高速化和集成化方向发展。

日本NTT 公司采用巴特勒矩阵和UCA 阵列实现了D-band 的高速OAM 复用通信，当空间传输距离为0.3 m时，传输速率可达102 Gbit/s[16]。但由于设计UCA 的馈电网络具有一定的复杂性，这大大限制了UCA 的通用性。随着系统向小型化和集成化的转变，Su 等人提出了基于像素阵列的太赫兹集成电路，可以产生高纯度的OAM 复用波束，随后基于该器件实现了20 Gbit/s 的速率传输，传输距离为0.25 m[31]。最近我们使用工作频率为0.1 THz 的透射超表面完成了2 路OAM 波束复用通信，每路信道搭载5 Gbaud 的OOK 信号，系统传输速率为10 Gbit/s[24]。

OAM 技术除了可应用于提升通信容量外，由于不同模态间的相互独立正交的特性，它还可以应用于安全通信中，使用独特的专用信道加密，实现强对抗环境下数据传输的可靠性。尽管OAM 复用技术在提升频谱效率和抗干扰方面展现出了巨大的应用潜力，但为了充分利用OAM 调制自由度，仍有许多关键问题有待解决。

（1）产生多模态OAM 波束。理论上OAM 模态有无限多个，但在实际应用中，由于产生的OAM 波束纯度较低，导致OAM 模态间存在串扰，在实现多个OAM 模态复用时性能会变差。另一方面，随着OAM 阶数的增加，波束发散程度会加剧，难以实现更多模态的复用。利用完美涡旋波束可在有限孔径接收系统中容纳更多的OAM模态，这对于提升OAM 通信信道容量是十分有利的。因此研制高性能、集成化、多功能器件以实现高纯度、多模态的OAM 波束复用是提升系统性能的关键所在。

（2）长距离传输光斑变大。由于OAM 波束的发散特性，当远距离传输时光斑会变大，这无疑会提高对接收机孔径的要求。在通信系统中可以通过引入外加透镜抑制波束发散，或者在发射端结合相关器件产生无衍射波束，利用电磁波近场的无衍射特性，有望实现无线信号的定向保密传输，同时还可以带来提高系统效率、抑制多径干扰等优点。

4 结束语

太赫兹OAM 技术能够为通信网络提供大带宽和新的复用维度，同时具有安全性和稳定性等优点，具有广阔的应用前景。本文首先介绍了太赫兹波的特点和OAM 波束，然后重点介绍了太赫兹OAM 通信系统中涉及到的关键器件，包括产生与复用、解复用与接收、特殊OAM 波束的调控，最后讨论了基于不同器件的太赫兹OAM 通信系统特点，并分析了太赫兹OAM 通信系统中存在的一些关键问题及潜在解决方式。不难看出，研制先进的多功能集成化器件，以产生多模态、高纯度、低发散的高性能OAM 波束对实现远距离太赫兹OAM 通信有重要意义。