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多OAM模态生成技术

更新时间：2026-06-28 11:17:31 大小：17K 上传用户：江岚查看TA发布的资源 标签：OAM 下载积分：2分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

一、OAM模态概述

轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）是电磁波除振幅、频率、偏振之外的又一独立物理维度，携带有OAM的电磁波也被称为涡旋电磁波。涡旋电磁波的每个光子携带**$l\hbar$**的轨道角动量，其中$l$为OAM模态（拓扑荷数），理论上$l$可以取任意整数，不同模态之间相互正交。这一正交特性使得OAM模态可作为独立信道传输信息，在相同带宽下能够成倍提升通信系统容量，为解决未来高速通信面临的频谱资源紧张问题提供了新的技术路径，也在粒子操控、量子通信、雷达成像等领域展现出广阔的应用前景。

而多OAM模态生成技术，就是指能够同时产生两个及以上不同拓扑荷数OAM波束的技术，是OAM走向实际应用的核心基础环节。相较于单OAM模态生成，多OAM模态生成能够更好地满足多路复用传输的需求，也能够适配更多场景的功能要求，近年来成为OAM领域的研究热点之一。

二、多OAM模态生成的核心技术分类

当前主流的多OAM模态生成技术可以按照实现结构分为四大类：阵列天线法、透射/反射超表面法、光子集成芯片法、传统电磁结构改造法，不同技术路线有着不同的特点与适用场景。

（一）阵列天线生成法

阵列天线生成多OAM模态的核心原理是通过控制不同阵元的馈电相位，让所有阵元辐射出的电磁波在空间叠加后形成具有特定螺旋相位分布的多OAM叠加波束。根据馈电方式的不同，又可以分为均匀圆形阵列（Uniform Circular Array, UCA）直接馈电法和可重构相控阵列法两类。

均匀圆形阵列是最简单的多OAM生成结构，将多个相同的辐射阵元均匀排列在一个圆形轮廓上，对于模态数为$l$的OAM波束，只需要给第$n$个阵元设置的初始相位（为第$n$个阵元的方位角）即可。如果需要同时生成多个OAM模态，只需要将不同模态对应的馈电相位进行叠加，就可以让同一阵列同时辐射多个OAM模态。这种方法结构简单，设计难度低，在微波频段易于实现，目前已经广泛应用于室外OAM通信试验。不过，均匀圆形阵列存在两个明显的缺点：一是能稳定生成的OAM模态数量受阵元数量限制，最大模态数满足（$N$为阵元数量），想要生成更多模态就需要增加阵元数量，会导致系统体积和成本上升；二是大模态数下OAM波束的发散角较大，传输距离受限，而且不同模态的 purity（纯度）会随着模态差增大而下降。


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