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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MIMO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。
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.002
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（Horizon2020）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。
在国内，工信部于2019年推动成立了IMT2030推进组，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1Tbit/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。为了满足6G需求，业界积极探索新的无线通信资源和方法，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。
OAM是电磁波的固有物理属性，OAM的物理量纲（ML2T-1）和电场强度的物理量纲（MLT-3I-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）。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（IntrinsicOAM）和外部OAM（ExtrinsicOAM）。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。
图1 涡旋电磁波相位面及其能量分布
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。
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。
