[发明专利]电磁波量子态轨道角动量通信系统及方法

说明书

本发明提供一种电磁波量子态轨道角动量通信系统及方法，系统包括发射子系统和接收子系统；其中，发射子系统包括第一高压电源、第一高速电子枪、第一电子回旋产生模块、电磁波调制模块、轨道角动量量子发射器、轨道角动量模态选择器，以及波束赋形辐射器；接收子系统包括依次连接的第二高压电源、第二高速电子枪、第二电子回旋产生模块、轨道角动量量子耦合器、衍射放大装置、电子分选装置、接收解调器以及数据处理单元。本发明能够直接检测电磁波量子态的轨道角动量模态，利用轨道角动量维度传输数据，大幅提高数据传输容量，突破传统天线接收电场强度的容量界。

技术领域

本发明涉及电磁波轨道角动量量子态技术领域，更为具体地，涉及一种 电磁波量子态轨道角动量通信及方法。

背景技术

近年来，因为轨道角动量(OAM)是电磁波当中的固有维度，且区别于 电磁波电场强度的新维度，所以关于OAM电磁波的研究在通信、导航、雷达 探测等领域吸引了大量研究人员的注意。在统计态波束方面，2007年，Thidé 等人首次使用圆环形天线阵列在微波频段产生和检测携带OAM的电磁波。 2011年，Tamburini等人设计了OAM螺旋反射面天线，并在距离为442m的 威尼斯湖面上实现了两路不同OAM电磁波的传输实验，2018年，NTT在 28GHz频点，100米范围内成功完成100Gbps链路传输实验；2018年清华 大学航电实验室完成世界最长距离172公里空地机载传输实验；在OAM量 子态方面，2016年美国科罗拉多大学在低温环境(4K以下)完成了对单个微 波量子的传输和操控；2017年日本分子科学研究所加藤政博(KATOH, Masahiro)等人分别用理论和实验证明相对论回旋电子可以辐射携带OAM的 电磁波(微波量子和光量子)。因此，OAM这一维度用于通信系统当中的手 机终端之间的点对点高速传输，基站到自回传接入点回传链路和用户接入等 都具有很高的潜在应用价值。

目前，轨道角动量(OAM)作为电磁波区别于电场强度的固有物理量， 以及无线传输的新维度，可以极大地提高无线传输容量。但是在统计态波束 传输中，现有的电磁波轨道角动量不能直接测量，需要采用映射的方法，将 角动量映射到传统天线可以测量的域中，测量经典频率和相位等信息后计算 得到。可知，间接测量容易造成角动量域映射到传统域后挤占传统域资源， 影响角动量作为电磁波传输新维度的功能。而OAM量子态可以用于传输数据 或者作为新自由度进行波束调控，增加传输容量和提高传输性能，并且可以用于移动通信用户接入和用户之间传输数据，构建理论上采用轨道角动量的 “零带宽”传输系统。量子态传输不采用传统天线，因此可以解决当前轨道 角动量电磁波波束发散共轴接收的困难。

综上可知，目前传统电磁波统计态OAM波束传输系统使用天线等方式检 测电场强度对轨道角动量进行间接检测，存在挤占传统域资源，多用于视距 OAM传输场景，不适用于移动通信当中用户接入等，限制了OAM作为电磁 波传输新维度的发展和应用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种电磁波量子态轨道角动量通信 系统及方法，以解决目前传统的电磁波统计态OAM波束传输系统使用天线等 方式检测电场强度对轨道角动量进行间接检测，存在挤占传统域资源，多用 于视距OAM传输场景，不适用于移动通信当中用户接入等问题。

本发明提供的电磁波量子态轨道角动量通信系统，系统包括发射子系统、 接收子系统；其中，发射子系统包括依次连接的第一高压电源、第一高速电 子枪、第一电子回旋产生模块、轨道角动量量子发射器、轨道角动量模态选 择器、波束赋形辐射器，以及与轨道角动量量子发射器连接的电磁波调制模 块；接收子系统包括依次连接的第二高压电源、第二高速电子枪、第二电子 回旋产生模块、轨道角动量量子耦合器、衍射放大装置、电子分选装置、接 收解调器以及数据处理单元；发射子系统用于发射加载有调制数据的复用量 子态轨道角动量电磁波信号；接收子系统用于接收耦合复用量子态轨道角动 量电磁波，以对复用量子态轨道角动量电磁波信号进行解复用和解调处理， 并对解复用和解调后的数据进行处理。