太赫兹轨道角动量通信关键技术与挑战*

杨航，郑史烈**，张红旗，李楠，何通，杨作民，吕治东，贺宇千，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5G 移动通信的逐渐普及，人工智能、大数据、云计算、机器学习、物联网等技术逐渐兴起，进一步推动了医疗、互联网和交通等行业的发展。伴随着物理世界与数字世界的进一步融合，智能终端数量的激增对当前通信网络的传输速率、接入终端密度、时延等指标提出了更高要求。作为破局的关键，6G 技术不仅能拓宽网络覆盖的广度：高空、海洋与陆地网路相融合实现“空天地海”一体化通信，还能进一步挖掘网络覆盖的深度：虚拟现实增强现实等技术将通过传感器网络与人类感官进一步结合，颠覆未来人类生活与工作方式[1]。

太赫兹（THz,Terahertz）技术为6G 提供了丰富的频谱资源。THz 波的频率范围为0.1—10 THz，其可用带宽是当前通信系统的数十倍，为1 Tbps 以上的超高速通信提供了物理基础。此外THz 波还具有方向性好、穿透性强、安全性高等优点，具有广阔的应用前景[2]。

轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）为6G 提供了新的物理维度。作为电磁波的基本属性之一，其在理论上能提供无限个相互正交的模态，既能作为通信信道提高系统的频谱效率与通信容量，又能作为一种编码格式传输信息，是进一步提升通信系统各项指标的关键技术[3]。

1 轨道角动量在通信领域的应用

轨道角动量作为基本物理属性之一广泛存在于自然界中。自1992 年Allen 等人发现电磁波能携带OAM 后，引起了学术界对这一新维度的广泛关注[4]。如图1 所示，当OAM 的模态l不为0 时，携带OAM 波束的波前呈螺旋形状，因而又常被称为涡旋波束。相较于普通的高斯波束，OAM 波束的幅度呈环形分布，且随着OAM 模态数l增大，环形的半径也会随之增大。此外，OAM 波束具有一个空间相位因子，其中φ为方位角，l为OAM 的模态数值。理论上，模态值l可以在实数空间内取任意值，而携带不同整数值的模态之间是相互正交的。因此OAM作为一个独立于频率、幅度等传统通信参数的新维度，在通信领域具有良好的应用前景。

图1 OAM波束的波前、相位分布与幅度分布

1.1 OAM模分复用通信

OAM 模分复用（OAM-DM,OAM Division Multiplexing）利用了不同模态之间相互正交的特性，将每个模态作为承载信息的信道，实现多路信息同时传输，从而提升系统的通信容量与频率利用效率，OAM-DM 通信原理如图2 所示。得益于OAM 与电磁波其他参数相互独立的关系，OAM-DM 可以与其他复用技术结合，从而进一步提高通信系统的性能。复用OAM 波束的产生，是OAM-DM 通信系统的基础，而不同频段的OAM 波束的产生方式也不尽相同。

图2 OAM-DM通信原理

在光频段，空间光调制器（SLM,Spatial Light Modulator）与光纤是两种最为常见的产生OAM 波束的器件。2010 年，Awaji 等人首次通过SLM 实现了两路复用的OAM-DM通信实验，通信速率达到了20 Gbit/s，验证了OAM-DM通信实验系统的可行性，为后续相关工作的开展奠定了基础[5]。2011 年，王健等人将模分复用与波分复用相结合，在2 种OAM 模态上叠加了25 个波分复用信道，形成了50 个相互独立的信道，最终实现了速率为2 Tbit/s的通信信号传输[6]。2012 年，该课题组将模分复用与极化复用相结合，四路OAM 模态与两种极化共同形成了8路独立的信道，使系统的通信速率达到了1.37 Tbit/s，频谱利用率达到了25.6 bit/s/Hz[7]。相较于自由空间光，光纤更易于实现远距离的光通信。为了使OAM-DM 技术适用于远距离通信的场景，研究者们提出了一些直接在光纤中产生复用OAM 波束的方法[8-9]，进而为提升OAM通信系统的传输距离建立了基础。2013 年，Bozinovic 等人通过涡旋光纤，将两种OAM 模态、两种极化和十种波长相结合，实现了1.6 Tbit/s 的通信速率，传输距离达到了1.1 km[10]。2018 年，朱龙等人设计了特殊的环芯光纤，使OAM 信号的传输距离达到了18 km，验证了OAM 复用技术在远距离通信场景下的可行性[11]。

在微波段，使用天线直接产生OAM 波束则更为主流。2011 年，Tamburini 等人利用抛物面天线成功产生了频率为2.4 GHz 的OAM 波束，并在442 m 的距离下完成了数据的成功传输[12]。2015 年，回晓楠等人设计出了一种环形谐振腔天线，在60 GHz 下产生了两路OAM 模分复用的通信信号，成功完成了高清视频信号的传输[13]。2021 年，Yagi 等人设计出了一种均匀环形阵列（UCA,Uniform Circular Array）天线，该结构利用了模分复用与极化复用技术，能在28 GHz 下产生了两种极化、五种OAM 模态叠加的复用波束，最终实现了200 Gbit/s 的通信速率，信号最大传输距离达到了10 m[14]。

可以看出，OAM-DM 技术被广泛运用在微波与光频段中，且均能有效提高通信系统的容量与频谱利用率。不仅如此，作为一个独立的物理维度，其还能与极化复用、波分复用等传统复用技术结合，成倍提升系统性能，为缓解日益紧张的通信容量与频谱资源提供了新的思路。

1.2 OAM模移键控通信

在传统的通信系统中，信息的调制一般通过相位、幅度、频率等参数进行。OAM 作为一种电磁波的独立参数之一，同样也能参与其中。建立OAM 模态与数据比特之间的映射关系，通过切换模态的方式传递不同信息，这种通信方式称之为OAM 模移键控（OAM-SK,OAM Shift Keying），OAM-SK 通信原理如图3 所示。当有N个不同模态参与信息映射时，每个模态将携带log2N比特的信息。

图3 OAM-SK通信原理

OAM-SK 通信的起步较早，2004 年Gibson 等人首次完成了OAM-SK 通信实验，通过计算机控制SLM 产生并切换8 个不同的OAM 模态，完成了信息的传输[15]。然而，SLM 较低的响应速度也直接限制了该系统的通信速率。2015 年，Willner 等人将多个SLM 与切换速率高达10 GHz 的光开关相结合，SLM 只负责产生特定的OAM 模态，而通过光开关切换SLM，从而实现OAM 模态的切换，最终实现了20 Gbit/s 的通信速率[16]。此外，与电磁波的其他参数结合也能进一步增加OAM-SK 系统的通信速率。2018 年，Fu 等人通过达曼光栅实现了对OAM 与光场幅度这两个参数的独立调控，增加了每个OAM 模态所蕴含的信息量，有效地提升了OAM-SK 系统的通信效率[17]。

OAM-SK 的提出丰富了电磁波可供调制的参数，为信号的调制方式提供了新思路。数量无限的OAM 模态也能为更高阶的调制格式提供基础。此外，OAM-SK 也能与其他参数结合，从而进一步提高信息的调制效率。

1.3 THz-OAM通信系统研究进展

OAM 技术在提升系统通信容量与丰富通信方式上已经展现出了极大的应用潜力。此外，THz 技术在通信领域上也具有其独特的优势，与OAM 技术结合有望进一步提高系统的通信容量。相较于微波，THz 频段不仅可以提供更大的通信带宽，并且由于其载波频率更高，相对带宽较小，因此宽带信号造成的信道串扰更小。此外，THz 波束还具有较好的准直性，可以有效减小长距离传输后OAM 波束的尺寸，有利于进一步的接收和探测。相较于光波，THz 波的穿透性更强，受气候变化的影响更小，可为OAM 技术提供更为稳定的传输环境。可以预见，OAM 与THz 技术的结合将为无线通信领域带来巨大的飞跃。

相较于光波与微波，THz 技术的起步较晚，缺乏较为成熟的OAM 波束产生器件，因此结构简单的螺旋相位板（SPP,Spiral Phase Plate）是产生OAM 波束的常用器件。2021 年，Zhou 等人将多个SPP 与反射镜、合束器等空间器件结合，在0.3 THz 下产生了双OAM模态叠加的复用波束，在0.2 m 的传输距离下实现了8 Gbit/s 的通信速率[18]。同年，Su 等人在此基础上进一步结合了极化复用与波分复用技术，两种OAM 模态、两种极化与两种波长叠加形成了8 路通信信道，最终实现了32 Gbit/s 的通信速率[19]。

当前限制THz-OAM 通信系统发展的因素主要集中在器件层面。THz 频段因其波长较小，为器件小型化、集成化提供了得天独厚的优势。随着各种加工技术渐趋成熟，各种THz 器件性能逐渐提升，为THz-OAM 通信系统的进一步发展提供了基础。

超表面是一种由亚波长周期单元组成的二维结构，具有很强的可拓展性。作为一个能独立产生复用OAM波束的器件，超表面能有效减小OAM 通信系统中发射端的复杂度。2023 年，本课题组利用超表面成功在0.1 THz 下产生了双OAM 模态叠加的复用波束，并基于此构建了OAM-DM 通信系统，在0.3 m 的传输距离下达到了10 Gbit/s 的通信速率[20]。此外，可重构性也是超表面的重要优势之一。2020 年，Wu 等人基于介质单元设计了一种可重构超表面，其通过机械旋的方式调谐OAM 波束的模态，最终成功产生了5 种OAM 模态[21]。伴随着CMOS 加工技术的发展，太赫兹贴片天线与集成馈电网络等器件的性能也获得了长足的进步。2021 年Khan 等人利用CMOS 工艺成功制作出了能工作在太赫兹频段的UCA，并成功产生了3 种不同模态的OAM 波束[22]。

当前围绕THz 超表面与THz 集成天线的研究尚处于起步阶段，鉴于这两种结构的巨大发展潜力，它们将在THz-OAM 通信系统中发挥重要作用。

2 轨道角动量的传输特性

作为6G 的两项关键技术，THz 与OAM 在提升系统通信容量等指标上具有巨大优势。研究OAM 波束在大气湍流、多径等多场景下的传输特性，有助于建立THz-OAM 信道的通用模型，进一步推动并完善6G 无线通信网络设计。

大气是室外通信的主要媒介，大气湍流是大气信道的主要干扰因素。其带来的温度、气压等因素的变化可能会引起大气信道折射率的随机变化，进而扰动OAM 波束的相位、传播方向、幅度分布等参数，导致能量向相邻模态泄露，引起严重的模态间串扰，使通信质量急剧恶化，如图4 所示。早在2005 年，Paterson 就通过理论推导的方式量化了大气湍流对OAM 通信系统的影响，并提出即使是弱湍流对OAM 的影响也不容忽视[23]。2013 年，Ren等人通过实验证实了大气湍流会对OAM 通信系统造成严重的码间串扰与信道串扰[24]。为了减小湍流效应对OAM通信的干扰，研究者们提出了一系列应对方法。2014 年，Ren 等人提出了一种相位修正方案，在发射端叠加一路高斯波束作为参考波束，用于测量大气湍流引入的相位畸变，进而修正OAM 波束的相位。经试验，该方案有效地抑制了大气湍流的干扰，将相邻OAM 模态之间的串扰降低了12.5 dB[25]。2016 年，付时尧等人提出了一种预补偿方案[26]，他们引入了Gerchberg–Saxton 算法，通过比较原始波束与畸变波束计算出相应的预补偿相位，并在发射端加入预补偿相位进行修正。经试验，该方案对于单个或叠加模态的OAM 波束均有较好的补偿效果。此外，信道均衡和信道编码等传统通信系统中常见的信号处理算法在应对大气湍流时也有良好表现[27-28]。这些方案有效地提高了OAM 通信系统的抗干扰能力，为OAM 技术的实际应用打下了坚实基础。

图4 大气湍流影响OAM波束传输的概念图

多径效应则是室内通信的主要干扰因素。在相对狭窄且障碍物较多的传播环境下，信号的传输存在直射、散射、反射等多个传播路径，不同路径的信号在接收端叠加将会产生干扰，从而影响信号的正常传输，如图5 所示。2015 年，Yan 等人通过布设反射面的方式探究多径效应对OAM 通信造成的影响[29]。他们发现多径效应不仅会影响同OAM 模态内的通信质量，引起较大的码间串扰。还会引起较为严重的不同模态间的串扰，干扰其他OAM信道的正常通信，并且模态越大的OAM 波束造成模态间的串扰越强。为了使OAM 技术也能更好地应用于室内场景中，多径效应的抑制技术成为了人们的研究重点。2016 年，Yan 等人将正交频分复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术与OAM 技术结合，通过加入循环前缀的方式有效减小了相同OAM 模态内的码间串扰[30]。2020 年，Xue 等人引入了MIMO 中的空间均衡算法，从理论的角度指出此经均衡后的OAM 信道容量甚至优于普通的MIMO 信道[31]。同年，Chen 等人通过具体实验验证了这一观点[32]。关于OAM 波束在多径环境下的传输特性的研究起步较晚，尚未探讨如何同时抑制模态内与模态间的串扰。深入研究多径环境下OAM波束的信道模型，对于保障多OAM 模态下系统的通信质量具有重要意义。

图5 多径效应影响OAM波束传输的概念图

3 太赫兹轨道角动量技术面临的挑战

目前，THz-OAM 系统也面临着一些挑战，在实际应用之前仍需要解决一系列问题。首先，在THz 频段缺少成熟的OAM 波束的产生与探测器件。当前，由SPP 组成的系统不仅空间光路复杂，其拓展性也相对较差。在此系统中，模态数量的增加意味着空间光路的器件与复杂度也将成倍增加，不能充分利用OAM 模态数量无限的特点。超表面作为一种电场调控结构，为应对这一挑战提供了解决方案。其不仅能实现产生并复用多个OAM 波束，还能将OAM 与极化、频率等其他维度结合，进一步提升通信系统的性能[33]。得益于超表面技术的发展，已有多种不同结构的超表面被提出用于THz-OAM 波束的产生和解调。可以预见，超表面将在THz-OAM 系统中发挥重要作用。

其次，THz-OAM 波束传播距离有限。OAM 波束的发散角会随着模态阶数的增加而扩大，这一因素制约了高阶OAM 波束在远距离通信场景中的应用。显然，扩大OAM 天线口径，增加OAM 天线增益可以有效减小OAM 波束的发散角。而无衍射波束也为提升OAM 波束的传播距离提供了新的思路。贝塞尔与艾利波束均能有效减小OAM 波束的发散角，大幅度提升了OAM 通信系统的可实现性[34-35]。

最后，尚未建立THz-OAM 波束的通用信道模型。THz 频段快速的时变特性、湍流以及多径等传输环境引起的OAM 波束模态转移等因素使得THz-OAM 无线信道模型的复杂程度远高于传统无线衰落模型，这给信道建模带来了极大的挑战。得益于研究者们对于6G 关键技术的关注，THz 波束与OAM 波束在多场景下的传输特性的研究与相应模型的构建逐步完善，将为THz-OAM 通信的全场景覆盖提供理论基础。

4 结束语

OAM 作为电磁波的全新维度，无论是作为通信信道还是作为编码格式均在通信领域具有巨大潜力，其与THz 技术结合，有望成为突破当前通信系统瓶颈的关键，进一步提升6G 的通信指标，拓展出更广阔的应用场景。本文对OAM 在通信领域的应用机制以及研究现状进行了梳理，分析了OAM 波束在室内以及室外通信场景的传输特性，并针对不同场景归纳了关键抗干扰技术，总结了THz-OAM 通信系统当前面临的主要挑战，为6G 技术的发展和应用提供了参考。