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光的轨道角动量特性可极大提高数据速率

2016-09-23 08:58
小鱼时代
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  24年前,研究者们发现了光的一些神奇特性:光属于一种波,能像螺丝刀那样在空间中以螺旋方式传播,并具有一种叫做轨道角动量(OAM)的动量形式。

  真了不起,是吧?确实如此。OAM的概念极大地启发了我们对电磁辐射能力的又一次想象。载有OAM的波束可以用来移动较小的物品,并且此类波束已经在提高显微镜分辨率方面发挥了作用。

  而有关OAM的探索也为我所研究的通信领域带来了最为显著的影响。具备不同“扭曲”形式的OAM波束不会互相干扰,也就意味着它们之间可以层层重叠,且理论上可以同时承载无限量的各类数据流。即使是传输和接收少量OAM波束的硬件也可以极大地提升光和无线电的传输能力,而且和今天的技术相比,无须对已经非常拥挤的电磁频谱提出更多的要求。的确,据我在洛杉矶南加州大学的团队和其他人的验证试验显示,其结果最终和理论预测的结果完全一致。

  如果你觉得OAM通信听上去很耳熟,那么你可能留意过几年前一则有关第一批OAM无线电示范项目的新闻。当时,一些工程师们认为这并不是一种新方法,只不过是同时发送多个波束的另一个策略的版本。但自此之后,人们越来越清晰地发现,OAM传输确实是一种有力的全新技术,能够在无线连接中传输更多的信息,并提高互联网中各个网络组成部分的网速。而技术方面的难题是要寻找驾驭OAM的好方法。这方面的工作最终得以开展。

  任何形式的电磁辐射均可以包含OAM,不论是无线电、可见光还是光谱中的其他光。但为了更好地说明OAM(同时也为避免每次都说“电磁辐射”),我们之后会将其简称为“光”。

  对于光来说,其最为奇特的一个特性就是它既包含能量,也包含动量,正如在空间中移动的普通实体对象那样,只不过光没有质量。和普通的实体对象一样,光碰到某样东西时也会产生力。例如,太阳能帆板即利用了光的这一特性,仅通过太阳光的推力即可实现在空间中的加速。光的“推力”(即线性动量)作用于其运动方向。但光同时还具备角动量。

  长期以来,唯一被经常讨论的动量形式是自旋角动量。要想了解其运作方式,可能需要先了解一些与偏振有关的背景知识。一束光所产生的电场会在光束的垂直方向上发生振荡。对于线偏振光而言,其电场通常会沿着一条固定的直线振荡;而对于圆偏振光,其电场振荡则是绕着光的运动方向旋转的。这类圆偏振光束带有自旋角动量,类似陀螺或绕中轴旋转的星球所发出的电磁场。值得注意的是,这种形式的动量还会产生扭矩:用带有自旋角动量的光线照射微观物体,可以使其旋转。

  1992年,物理学家李斯·雅伦(Les Allen)与汉·沃尔德曼(Han Woerdman)以及荷兰莱顿大学的其他同事指出:特定的螺旋式光束还载有另一种角动量形式,即OAM。如果把带有自旋角动量的光线比作一个旋转的星球,那么从物理模拟的角度来看,OAM光就像是绕着太阳公转的星球。OAM光也会产生扭矩,依据波束照射的位置不同,这种“扭曲作用力”可以使一个小物体旋转或绕着波束中心作轨道运动。

  并不是所有的光线都具有OAM。要想拥有OAM,光线必须要有一种特殊的相位波前。相位是电磁波的一部分,控制着电磁波到达波峰或波谷的时刻。要想更好地了解相位波前,可以想象有一束光。如果你看一下这束光的横截面,你就会很容易地把这束光视为许多“迷你波”的集合。若所有的迷你波在传播时都按照统一的方式振荡——就像普通的激光束那样——那么该光束就是一个平面波,拥有平面相位波前。在光束传播方向上的任意一点,其整个横截面只有一个相位值,即所有的迷你波都位于波峰或波谷或两者之间,位于两者之间的可能性最大。

  不过,光束的不同部分不一定必须拥有相同的相位。对于具有OAM的螺旋波来说,迷你波的光束横截面并不都是一样的。相反,每一个迷你波的相位均取决于其相对于光束中心的角度位置。如果你绕着中心转一圈,相位要么会稳定增长,要么会逐渐下降。

  为了更加直观地了解波束是如何“扭曲”的,可以想象一下在空间中运动的迷你波。起初,所有处于峰值的迷你波均会按照一定的角度排列,就像钟表的指针那样。很短的一段时间后,这些迷你波将不再处于峰值位置;另一组有着不同角度的迷你波会像钟表指针那样运动到峰值位置。这一过程会持续进行,因此如果你对迷你波峰值的角度位置进行跟踪,就会发现,迷你波会在运动过程中发生扭曲。为了更好地理解该相位行为是如何转化为运动表现的,可以想象一下霓虹灯招牌,招牌中的每一个灯泡都会按次序开关。如果程序正确,那么这些霓虹灯看上去就会像是按照同一个方向运动,即使这些灯泡根本就没有动过。OAM也是如此。波束中的每一个迷你波均按照稳定的方式振荡,但各迷你波峰值出现的时间次序会使相位波前发生扭曲,并在波束运动过程中产生螺旋。

  重要的是,如果你绕着波束横截面转一圈,相位变化越剧烈,扭曲程度就越大,OAM值也就越高。整个一圈的相位变化是360度的整数倍。

  这种扭曲的螺旋波很难被可视化,但却能够产生非常清楚的可视效果。对于传统波束来说,其中心最亮;而螺旋波束的横截面是一个环形,中心较暗。这是因为波束中心充满了各种相位的迷你波,且处于峰值的迷你波很有可能与处于低谷的迷你波发生部分重叠。相反的一对会通过相消干扰而相互抵消。

  螺旋波(也被称为涡旋波束)早在1992年之前就已被发现。但正如雅伦论文中所说的那样,认识到螺旋波拥有OAM,确是对光的一个重大发现。而许多物理学家原先都认为人类对光的特性已非常了解。在雅伦论文发表后的10年里,一个以物理学家为主力的小团队对OAM进行了研究,并试图了解其基本特性。而自此之后,参与的研究人员和受影响的技术领域的数量均大幅增加;谷歌学术搜索的数据显示,2015年共有5000多份与OAM有关的科研论文发表。

  其中一个相关领域就是通信领域,这是因为OAM的特性:具有不同OAM值的重叠波束基本会以相互“视而不见”的方式运动。用通信工程师和物理学家的话来说,这些OAM波束之间是正交关系。即每一个波束都是与众不同的。不能靠具有其他OAM值的波束来构建,且从本质上来说也无法与其他波束发生交互。

  这种正交关系意味着OAM波束可以在不发生互相干扰的情况下占据同一空间。确切地说,虽然理论上可以使用无限个具有不同OAM值的波束来承载信号,但实际上还是有限制的。一会儿我们再详细阐述。但重点在于,我们应能够将具有同样频率的多个波束相互重叠起来(也可以利用多重极化)。这对于整个通信领域来说是一个好消息,特别是对于无线电通信来说,因为频谱是一种极为宝贵的商品资源。

  OAM通信在2004年取得了一个巨大进展,当时的物理学家迈尔斯·帕吉特(Miles Padgett)及其同事发现,可以利用OAM波对数据进行编码,用不同的OAM值来代表不同的信息。之后的结果明确地表明,具有单一固定OAM值的波束可以作为一种数据信道——各类传统方式可以对其进行调制,用于承载信息。最直接的一种调制方法就是开关键控,利用波束的存在或缺失状态来代表“1”和“0”这两个数据位。

  2004年的进展打开了OAM在通信领域中众多应用的调查研究之门。我们小组是在2009年启动研究的,当时还获得了美国国防高级研究计划局光子项目信息的资金支持。这一资金主要用于探索光子在成像、感测与通信方面的局限。我们的第一项调查研究是在自由空间里构建光链路,这种链路可用于计算机之间、建筑物之间或卫星和地面之间的直接数据传输。

  螺旋波束的创建和传输有多种方法。我们选择了一种较为传统的方式,尽可能多地采用现成的元件。发射器产生常规激光波束,之后通过一个液晶空间光线调制器进行传播,目的是造成波束扭曲。接收端的每一个OAM波束再通过一只反向的空间光线调制器,转变回平面波,再由传统的光学接收器恢复数据。

  2012年,我们发表了有关该方法的第一篇期刊文章。我们在试验中发出了32个具有相同频率的不同光束,每一个光束每秒可传输80吉比特的数据,并在实验室的短距离(1米)环境下进行传播。总的传输速率约为每秒2.5太比特,这对于自由空间通信来说还是相当高的,且有希望实现更长距离和更高速率的数据传输,因为本次试验我们仅用了一个频率。

  我们的试验论文发表于一个关键时期。论文发表前一年,一群来自意大利和瑞典的研究者们所开展的一项公开试验就已激发了业界的兴趣。跟随无线电先驱古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)的步伐,这些研究者们在2011年6月的一个晚上将OAM无线电波从圣乔治·马焦雷岛上的一个灯塔发送至约450米外位于威尼斯的另一栋建筑。

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