C波段携轨道角动量螺旋波微带阵天线设计

本文以同轴馈电的矩形微带天线作为阵单元,将8个相同的单元天线等间隔分布在一个同心圆面上以组成微带阵天线,并采用等幅但相邻单元间相位差为一常数的方式进行激励。基于三维高频结构电磁模拟软件仿真优化,在中心频率为6 GHz处,根据不同的相位延迟得到不同模式的携有轨道角动量的方向图。仿真结论表明,该新颖的微带阵天线能产生携有轨道角动量的螺旋电磁波。     

基于圆微带天线阵的射频涡旋电磁波的产生

射频涡旋电磁波等相位面呈涡旋状,是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。在轨道角动量模式理论分析的基础上,提出了在中心频率6 GHz处产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的一种圆微带天线阵新结构,设计了以双层圆形微带天线为阵元组成的圆形阵列天线,通过控制馈源的相位差,得到模式量子数为0,1,2, 3, 4的轨道角动量。仿真结果表明:携轨道角动量的电磁波矢量电场图具有涡旋波阵面的特性,合适的阵列半径和馈线排列分布将产生携有良好轨道角动量特性的涡旋电磁波,而不当的阵列半径或馈线排列分布将出现能量的分散或者相互耦合的问题。     

基于圆微带天线阵的射频涡旋电磁波的产生

射频涡旋电磁波等相位面呈涡旋状,是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。在轨道角动量模式理论分析的基础上,提出了在中心频率6 GHz处产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的一种圆微带天线阵新结构,设计了以双层圆形微带天线为阵元组成的圆形阵列天线,通过控制馈源的相位差,得到模式量子数为0,1,2, 3, 4的轨道角动量。仿真结果表明：携轨道角动量的电磁波矢量电场图具有涡旋波阵面的特性,合适的阵列半径和馈线排列分布将产生携有良好轨道角动量特性的涡旋电磁波,而不当的阵列半径或馈线排列分布将出现能量的分散或者相互耦合的问题。     

Ku/K波段双频涡旋电磁阵列天线设计

涡旋电磁波具有携带轨道角动量的特性,利用这一特性,采用涡旋电磁波作为信号的载体,可以实现同一时间、同一频段的多路信号传输,极大地提高系统容量和频带利用率。以同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元,设计出了一种能工作在Ku波段和K波段的涡旋电磁阵列天线。使用三维电磁场仿真软件建模并且优化参数,最终得到在中心频率分别为17.1 GHz和19.7 GHz时,阵列天线产生的电磁波携带有轨道角动量。结论表明：该阵列天线能够产生双频涡旋电磁波。     

X波段宽频带多模轨道角动量天线仿真与设计

轨道角动量作为一种新的、安全和高效利用频谱的传输复用方式引起了科学界的关注。基于均匀圆阵列,设计了一种工作在X波段的宽带多模轨道角动量天线。该天线由旋转排列的三角形均匀圆阵列组成,其特点是正负模式数的产生除了与馈电方式有关外,还与均匀圆阵中阵元的旋转方式相关。仿真结果表明,在X频段该天线-10 dB带宽范围为9.33~10.37 GHz,带宽达到1.04 GHz,总的效率为52%;在相同阵元数量的情况下,该天线产生的模式数多于矩形贴片天线。该天线具有馈电网络简单、带宽宽和模式数大等优点。     

单光子轨道角动量的传输特性研究

描述了高阶椭圆厄米-高斯光束及其单光子平均轨道角动量,并分析了一些与其单光子轨道角动量变化的有关情况,通过计算机仿真简要进行了说明.最后分析了单光子轨道角动量在空间某范围的概率分布及其变化情况.研究结果表明,高阶椭圆厄米-高斯光束与物质相互作用时,其单光子平均轨道角动量的变化幅度随接触物质材料的不同而异.     

轨道角动量光的区分

载有轨道角动量(OAM)的光可用于提高光通信网络的带宽,而对不同轨道角动量态的区分是有效利用轨道角动量光的核心。利用空间光调制器设置合适的传递函数以实现傅里叶平面间的光学坐标变换。变换后,轨道角动量光随方位角的相位变化变成横向相位变化。相位修正后将不同轨道角动量的光聚焦到不同的横向位置,实现了对轨道角动量光的有效区分。     

轨道角动量指向可控的紧聚焦时空波包(特邀)EI北大核心CSCD

利用Debye积分,研究了三个相互正交的轨道角动量(包括两个正交的横向轨道角动量以及一个纵向轨道角动量)光场在紧聚焦条件下的复杂耦合现象,并演示了焦场中相位奇点在三维时空间中的演化。此外,还研究了具有不同拓扑荷数的纵向轨道角动量对聚焦波包整体轨道角动量指向的影响。数值结果表明,聚焦波包的整体轨道角动量指向可由纵向轨道角动量的拓扑荷数进行调控,进而实现紧聚焦时空波包的轨道角动量指向可控。这种角动量指向可控的时空波包在光学微操作、微纳加工、自旋-轨道耦合以及量子通信等领域具有潜在的应用价值。     

自旋-轨道耦合系统的电子涡旋

在轨道角动量守恒的无自旋-轨道耦合系统中存在带轨道角动量量子数的电子涡旋波解,研究了存在自旋-轨道耦合,轨道角动量不守恒的系统,发现携带总角动量量子数的电子旋量波函数也有涡旋波解,表现为自旋波函数和涡旋波波函数的纠缠波函数.以中心力场中的电子为例,构建了自旋-轨道耦合导致的轨道角动量不守恒但总角动量守恒的情况下,携带固定总角动量量子数的电子沿z轴传播的涡旋波旋量波函数结构.对自旋-涡旋纠缠中相应的电子涡旋波进行了微扰求解,并结合Foldy-Wouthuysen变换,说明了在相对论情况下,中心力场中携带固定总角动量量子数的电子沿z轴传播时也确实存在四分量旋量的涡旋解,从而为有自旋-轨道耦合导致的轨道角动量不守恒但总角动量守恒的系统提供了存在涡旋结构的理论支持.     

双螺旋凹槽结构超表面检测偏振状态的研究

偏振态信息与轨道角动量信息是光学信息的重要载体,也是光学信息处理的重要参量,在石英基底上设计了阿基米德双螺旋结构,利用有限元法计算了带有不同轨道角动量和偏振态信息的入射光照射到上述超构表面时,入射光与超表面耦合所产生的透射光呈现不同强度分布的图样,根据该图样,可检测入射光的偏振态信息。为检测入射光的轨道角动量,还提出了一种新的计算方法,针对不同轨道角动量的入射光与超表面耦合所产生的透射光场,计算出透射场强度中心偏移量,利用透射场强度中心的偏移表征入射光的轨道角动量,最后成功拟合出入射光轨道角动量与强度中心偏移二者的关系,实现了对入射光轨道角动量的检测。为检测入射光携带的信息提供了思路。     

Orbital Angular Momentum Generation Using Circular Ring Resonators in Radio Frequency

Electromagnetic field generators based on circular ring resonators,whose perimeters are integer times of equivalent wavelength,are well known to have attractive potential for producing radio vortexes carrying orbital angular momentum(OAM).We study the radiation characteristics of the generators based on radiation vector and antenna array theory.The behaviors of radiation patterns,field intensity and phase distribution are investigated in detail,and show classical features of OAM beams.The evolution of the generators performance versus the OAM state is also analyzed.The proposed generators can be realized by all kinds of microwave transmission lines,verified by two different prototypes.The discussions and conclusions drawn in this study are useful and meaningful for the radio OAM generator design.     

声轨道角动量水下发射与数据传输实验

研究了声轨道角动量水下发射技术与多路复用的水下数据传输,基于点源理论推导了相控圆周阵列发射声轨道角动量的基本原理,分析了干扰项的阶数成分及干扰项对主项的影响,优化设计了基于Cymbal换能器的阵列样机,阵列样机直径为Φ180 mm,阵元数为10元,工作频率为25 kHz,通过对阵列阵元的相位调控实现了-3至3六阶声轨道角动量的发射,验证了基于相控原理实现不同拓扑荷数声轨道角动量发射的理论。通过利用各阶声轨道角动量的开关状态进行数据编码,进行了基于声轨道角动量多路复用的水下数据传输实验,实验结果表明,不同拓扑荷数的声轨道角动量具有良好的正交性质,可以利用基于声轨道角动量的多路复用技术实现水下数据传输功能。     

Shared aperture metasurface antenna for electromagnetic vortices generation with different topological charges

Vortex beams carrying orbital angular momentum (OAM) have aroused great interest of both scientific and engineering communities. Encouragingly, generating OAM with different topological charges in a shared aperture is regarded as a potential route to expanding the communication capacity, which yet is an academic challenging task. In this work, a paradigm of designing metasurface-based shared aperture antenna for generating polarization-dependent vortex beams with distinct topological charges is proposed. Anisotropic unit cells that can tailor different resonance phase profiles in two orthogonal orientations are used to assemble a metasurface reflector. As a proof-of-concept, a planar reflector antenna is designed with two Vivaldi sources, which can generate x- and y-polarized vortex beams with topological charges of l=-1 and l=-2, respectively. Both the simulation results and the measurement results are in good agreement, which demonstrates the feasibility of our design. Significantly, this work provides a new route to achieving vortex beams carrying different topological charges in the same frequency band, which may have potential applications in communication systems.     

基于激光光束轨道角动量的8位数据信号产生与检测的实验研究

本文研究了利用激光光束的轨道角动量进行8位数据信息传输的技术. 建立了一套利用光束轨道角动量进行8位数据信息传输的系统, 在信息调制部分采用可选通控制的光源阵列和相位调制屏实现光束轨道角动量态的编码复用, 在信息解调部分采用二元振幅光栅进行轨道角动量态检测,实现了无误码的数据信息传输.     

Twisted optical communications using orbital angular momentum

Angular momentum, a fundamental physical quantity, can be divided into spin angular momentum(SAM) and orbital angular momentum(OAM) in electromagnetic waves. Helically-phased or twisted light beams carrying OAM that exploit the spatial structure physical dimension of electromagnetic waves have benefited wide applications ranging from optical manipulation to quantum information processing. Using the two distinct properties of OAM, i.e., inherent orthogonality and unbounded states in principle, one can develop OAM modulation and OAM multiplexing techniques for twisted optical communications. OAM multiplexing is an alternative space-division multiplexing approach employing an orthogonal mode basis related to the spatial phase structure. In this paper, we review the recent progress in twisted optical communications using OAM in free space and fiber. The basic concept of momentum, angular momentum, SAM, OAM and OAM-carrying twisted optical communications,key techniques and devices of OAM generation/(de)multiplexing/detection, high-capacity spectrally-efficient free-space OAM links, fiber-based OAM links, and OAM processing functions are presented. Ultra-high spectral efficiency and petabit-scale freespace data links are achieved benefiting from OAM multiplexing. The key techniques and challenges of twisted optical communications are also discussed. Twisted optical communications using OAM are compatible with other existing physical dimensions such as frequency/wavelength, amplitude, phase, polarization and time, opening a possible way to facilitate continuous increase of the aggregate transmission capacity and spectral efficiency through N-dimensional multiplexing.