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2021/12/DTPT

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收稿日期：2021-11-15

1 概述

随着信息技术的发展，人们对通信质量提出了更

高的要求，针对后 5 代（B5G）和第 6 代（6G）移动通信

技术的研究已经在全球业界积极展开。欧盟的地平

线 2020 计划（Horizon 2020）对 B5G 项目进行了资助。

美国的联邦通信委员会（FCC）开放了 THz 频段并早已

开始 6G 研究。芬兰召开了首个 6G 无线通信全球峰

会。国际电信联盟（ITU）则成立了专门的研究小组

［1］

。

在国内，工信部于 2019 年推动成立了 IMT2030 推进

组

［2］

，旨在推动中国 6G 通信技术研究，成员包括国内

主要运营商和制造商，以及相关高校和研究机构。

一般认为，6G 的典型指标包括 1 Tbit/s 峰值速率，

μs 级别延时，数倍于 5G 移动通信网络的频谱效率等。

相对于 5G 通信网络而言，6G 通信网络性能有着显著

提升

［1-5］

。为了满足 6G 需求，业界积极探索新的无线

涡旋电磁波轨道角动量传输技术

Vortex Electromagnetic Waves Transmission

with Orbital Angular Momentum

关键词：

6G；轨道角动量；涡旋电磁波；无线通信；电磁波

量子

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.002

文章编号：1007-3043（2021）12-0006-08

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘要：

携带轨道角动量（OAM）的电磁波被称为涡旋电磁波，可进一步分为量子态

OAM 电磁波和统计态 OAM 电磁波 2 种。其中，量子态 OAM 电磁波中每个电

磁波量子的内禀 OAM 不为零，可利用 OAM 物理量形成无线传输新维度；统计

态 OAM 电磁波则是利用电磁波量子的外部 OAM 形成具有正交螺旋相位面的

统计态波束，由于统计态波束与空域的紧耦合关系，可以被认为是多天线 MI-

MO 系统特例。介绍了量子态 OAM 电磁波和统计态 OAM 电磁波的传输技术

及通信体制，说明了利用 OAM 维度可超越传统多天线 MIMO 容量界后形成含

有 OAM 维度的新 MIMO 容量界。

Abstract：

Electromagnetic（EM）waves carrying orbital angular momentum（OAM）are called vortex EM waves，which can be further

divided into the quantum OAM waves and the statistical OAM waves. Furthermore，the intrinsic OAM of each EM wave pho-

ton in the quantum OAM waves is non-zero. Then，the quantum OAM waves can be utilized to form a new dimension of

wireless transmission. Correspondingly，the statistical OAM waves use the extrinsic OAM of the EM wave photon to form the

statistical beams with the orthogonal helical phase fronts. Because of the tight coupling relationship between the statistical

vortex beam and the space domain，the statistical vortex beam can be equivalently considered as a special case of the tradi-

tional MIMO system. It introduces the transmission technologies and communication systems of the quantum OAM waves

and the statistical OAM waves. In addition，it is shown that the capacity bound of the traditional MIMO system can be sur-

passed by using OAM to form a new MIMO capacity bound with the OAM dimension.

Keywords：

6G；Orbital angular momentum；Vortex electromagnetic waves；Wireless communication；Electromagnetic wave photon

谢翔东，何耀宇，张超（清华大学航天航空学院航空宇航电子系统实验室，北京 100084）

Xie Xiangdong，He Yaoyu，Zhang Chao（Labs of Avionics，School of Aerospace Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，Chi⁃

na）

谢翔东，何耀宇，张超

涡旋电磁波轨道角动量传输技术

本期专题

Monthly Topic

引用格式：谢翔东，何耀宇，张超 . 涡旋电磁波轨道角动量传输技术［J］. 邮电设计技术，2021（12）：6- 13.

邮电设计技术/2021/12

通信资源和方法，提出了潜在关键技术。其中，轨道

角动量（OAM）作为电磁波无线传输新物理维度受到

了较为广泛的关注

［6-10］

。

OAM 是电磁波的固有物理属性，OAM 的物理量

纲（ML

-1

）和电场强度的物理量纲（MLT

-3

-1

）线性无

关（其中 M 为质量，L 为长度，T 为温度，I 为电流），所以

彼此独立。经典电动力学和量子电动力学（QED）理论

均指出，电磁波角动量包括自旋角动量（SAM）和轨道

角动量（OAM）

［11］

。自旋角动量表征了电磁波极化，

OAM 则表征了电磁波的波包在空间中的旋转特性。

具有 OAM 的电磁波又被称为涡旋电磁波，携带不同

OAM 模态的涡旋电磁波具备正交特性，利用该特性进

行无线传输可以极大地提升频谱效率和传输容量。

OAM 可进一步分为内禀 OAM（Intrinsic OAM）和

外部 OAM（Extrinsic OAM）

［12-15］

。电磁波从微观上看

是由大量电磁波量子构成的，内禀 OAM 表征了电磁波

量子波包针对其中心形成的 OAM，外部 OAM 则是针

对定义的坐标系形成的 OAM。因此内禀 OAM 不会随

着外界空间坐标系的不同而发生变化，但外部 OAM 则

会发生相应变化。如果将地月系统比作电磁波量子，

则地球自转可表示自旋角动量，月球绕地球公转表示

内禀 OAM，地月系统绕太阳公转表示外部 OAM。

根据主要利用内禀 OAM 还是外部 OAM，涡旋电

磁波可分为量子态 OAM 电磁波和统计态 OAM 电磁

波。量子态 OAM 电磁波由内禀 OAM 不为零的涡旋电

磁波量子构成；统计态 OAM 电磁波则是由内禀 OAM

为零的大量平面电磁波量子统计构建成具有螺旋相

位面的涡旋波束形成，其实质上利用的是电磁波量子

的外部 OAM。

量子态 OAM 电磁波不能采用传统天线（阵列）产

生，需要通过专用装置产生和检测涡旋电磁波量子所

携带的 OAM 模态。量子态 OAM 电磁波的理论基础主

要为量子力学和量子电动力学。由于利用的是电磁

波量子的内禀 OAM，量子态 OAM 本质地反映了涡旋

电磁波的 OAM 物理特性，可利用 OAM 物理量形成无

线传输新维度，大幅提高频谱效率，是从电磁波（光

波）OAM 被提出以来最重要的研究对象。

统计态 OAM 电磁波可由 OAM 专用天线或天线阵

列产生。因为传统天线只能辐射平面电磁波量子，形

成平面波（球面波），所以微观上看统计态 OAM 电磁波

是由大量不同相位的平面电磁波量子构造出的具有

正交螺旋相位面的波束，如图 1 所示，即统计意义上的

合成波束，其理论基础主要来源于经典电动力学。统

计态 OAM 电磁波发送和接收都是利用天线，所以直接

测量的还是电磁波的电场强度，并不是 OAM。只能通

过电场强度来间接计算 OAM 模态，造成统计态波束与

空域的紧耦合，没有真正体现出 OAM 所具备的物理新

维度特性。因此，对于统计态 OAM 电磁波，一直有观

点认为其可以被视为多天线 MIMO 的特例

［17-18］

。

本文概述了电磁波 OAM 传输技术发展历史，强调

了量子态 OAM 电磁波和统计态 OAM 电磁波概念内涵

的差别，介绍了基于量子态 OAM 电磁波和统计态

OAM 电磁波传输技术和通信体制，讨论了相应的信道

容量，明确了涡旋电磁波 OAM 传输技术的主要优点。

2 OAM 传输技术发展历史

OAM 最初主要被发现和应用于光学领域，即产生

涡旋光子和涡旋光束。1989 年，Coullet 等人首次提出

了涡旋光束的概念

［21］

。1992 年，Allen 等人理论证实

了涡旋光束中存在 OAM

［22］

，并在 1994 年进行了实验

佐证，利用光纤传输 OAM 光束，实现了 1.1 km，1.6

Tbit/s 的光信息传输

［23］

。2011 年，Bozinovic 等人通过 2

路 OAM 光束复用的方式，实现了 0.9 km 的光纤传

输

［24］

。2012 年，该课题组在 1.1 km 长度的光纤中实现

了 400 Gbit/s 速率的 QPSK 调制的 OAM 模式复用传输

实验，信道串扰小于 -14.8 dB，多径干扰小于 - 19.7

［25］

。2015 年，Allen 课题组采用键控调制进行传输

（QPSK 调制，4 个 OAM 模态），传输速率达 100 Gbit/

［26］

。

在射频 OAM 电磁波传输研究方面，1909 年

Poynting 发现电磁波具有角动量，并可以分为自旋角

动量和轨道角动量

［27］

。 1996 年，Turnbull 借鉴光学

图 1 涡旋电磁波相位面及其能量分布

［19-20］

…

能量

分布

l=-2 l=-1 l=0 l=1 l=2

相位

分布

OAM

模态

…

螺旋状

波阵面