CN111130612B - 电磁波量子态轨道角动量通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
此外，优选的技术方案是，在发射子系统中，第一高速电子枪，用于产 生第一自由电子；第一高压电源，用于提供直流高压，将第一自由电子加速 至相对论高速状态，形成高速运动的电子；轨道角动量量子发射器，用于基 于第一高速回旋运动的电子发射量子态轨道角动量电磁波；电磁波调制模块， 用于将通信数据调制至量子态轨道角动量电磁波上；轨道角动量模态选择器， 用于从调制后的量子态轨道角动量电磁波中筛选出所需模态和频率的量子态 轨道角动量电磁波；波束赋形辐射器，用于将筛选出的量子态轨道角动量电磁波辐射到自由空间。
此外，优选的技术方案是，在接收子系统中，第二高速电子枪，用于产 生第二自由电子；第二高压电源，用于提供直流高压，将第二自由电子加速 至相对论高速状态，形成高速运动的电子；第二电子回旋产生模块，用于将 高速运动的电子转变为第二高速回旋运动的电子；轨道角动量量子耦合器， 用于将自由空间中的量子态轨道角动量电磁波耦合到第二高速回旋运动的电 子，形成涡旋电子；衍射放大装置，用于对涡旋电子进行衍射，以放大扩散 涡旋电子波束的尺度；电子分选装置，用于分离不同轨道角动量的涡旋电子 波束至自由空间中的不同位置；接收解调器，用于对分选到不同位置的涡旋 电子波束进行接收和解调，以获取与涡旋电子对应的传输数据并完成系统通 信；数据处理单元，用于对传输数据进行数据处理。
此外，优选的技术方案是，数据处理包括信道估计、信道译码和信源译 码。
此外，优选的技术方案是，第一电子回旋产生模块、第二电子回旋产生 模块分别包括传播方向匀强磁场、波荡磁场、静电静磁混合场。
此外，优选的技术方案是，量子态轨道角动量电磁波包括光波、射线、 微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
此外，优选的技术方案是，轨道角动量模态选择器为谐振腔和/或波导。
此外，优选的技术方案是，波束赋形辐射器为矩形波导、圆波导、平行 平板波导或反射面中的任意一种。
此外，优选的技术方案是，复用量子态轨道角动量电磁波信号包括同一 频率中的多个不同轨道角动量模态且正交传输的调制信号。
根据本发明的另一方面，提供一种电磁波量子态轨道角动量通信方法， 利用上述电磁波量子态轨道角动量通信系统对携带数据的轨道角动量信号进 行传输；其中，方法包括：发射子系统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；接收子系统对复用量子态轨道角动量电磁波信号进行 接收并处理，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， 并对解复用和解调处理后的数据进行数据处理，实现通信。
利用上述电磁波量子态轨道角动量通信系统及方法，能够充分发挥量子 态轨道角动量作为传输新维度的优势，避免传统电磁波轨道角动量通信方式 使用天线检测电场强度对轨道角动量间接检测存在的各种问题，实现轨道角 动量传感器的功能，即直接测量电磁波量子态轨道角动量，同时利用量子态 轨道角动量的正交性大幅度提高通信系统的频谱效率和传输容量；此外，还 能够有效利用OAM量子态新维度特性进行OAM联合编码调制，OAM电磁 波多址接入，达到提高通信性能的效果。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细 说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然 而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。 此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发 明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的电磁波量子态轨道角动量通信系统逻辑框图；
图2为根据本发明实施例的具有不同径向量子数和轨道角动量模态数的 涡旋电子示意图；
图3为根据本发明实施例的磁场中的涡旋电子被晶胞散射示意图；
图4为根据本发明实施例的单晶体金和硅的涡旋电子衍射示意图；
图5为根据本发明实施例的多晶体金和硅的涡旋电子衍射示意图；
图6为根据本发明实施例的经过两个电子分选器件的涡旋电子示意图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全 面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节 的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例， 公知的结构和设备以方框图的形式示出。
目前，电磁波的发射和接收均采用天线检测“电场强度”的方式进行， 电场强度的强弱即为幅度，变化的快慢即为频率，变化的早晚即为相位。除 此以外并没有利用电磁波的其他物理量。并且，由于OAM波束呈现倒锥状， 现有轨道角动量波束传输实验需要利用多天线系统进行共轴传输和全相位面 接收，只能支持点对点高速传输；或者使用部分相位面接收形式，不能完全 利用OAM这一维度的优势改善通信性能。
从量子力学的角度来看，电磁波是由量子(比如微波量子、光子等)构 成，微波量子是电子传递相互作用的媒介，将电磁波OAM分为OAM统计态 和OAM量子态。不同于传统OAM传输系统的OAM统计态，OAM量子态 检测是将微波量子的轨道角动量维度映射到回旋电子的轨道角动量，满足量 子力学规律。OAM量子态能够真正发挥OAM作为新维度的优势，构建OAM 量子传感器直接检测电磁波轨道角动量，传统天线检测电磁波的电场强度， 两者之间相互独立。OAM量子态可以用于传输数据或者作为新自由度进行调 控波束，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传输的“零带宽”传输系统。 解决当前轨道角动量电磁波波束发散和共轴接收的困难。
为解决上述问题，本发明提出一种电磁波量子态轨道角动量通信系统及 方法，使用相对论回旋电子构建量子态OAM传感器，利用电磁波量子态轨道 角动量这一新维度，在无线传输中采用量子态OAM复用传输，可以在传统通 信信道的基础上，获得更多正交信道，大幅提升频谱效率和传输速率。
本发明提出的电磁波量子态轨道角动量通信系统，主要采用非天线方式 产生和发射复用OAM量子态电磁波，同时采用非天线方式接收和检测复用 OAM量子态电磁波的方式。在发射端，基于高速回旋电子产生高阶OAM量 子态电磁波，将回旋电子的轨道角动量传递到电磁波的轨道角动量，并将其 辐射到自由空间中进行传播；在接收端，同样基于高速回旋电子，将自由空 间传播的量子态轨道角动量电磁波的OAM耦合到回旋电子注上，使其成为涡 旋电子，并采用衍射装置对涡旋电子波束进行尺度放大，其次经过电子分选 装置解复用不同轨道角动量的电子束，最后经接收解调器和数据处理单元获 得传输数据，完成电磁波量子态轨道角动量通信系统的功能。
为详细描述本发明的电磁波量子态轨道角动量通信系统，以下将结合附 图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的电磁波量子态轨道角动量通信系统的逻 辑结构。
如图1所示，本发明实施例中的电磁波量子态轨道角动量通信系统10， 包括发射子系统100和接收子系统200；发射子系统100用于发射复用量子态 轨道角动量电磁波；接收子系统200用于接收并处理复用量子态轨道角动量 电磁波，经电子衍射分选、解复用和接收解调器完成数据传输功能。
具体地，发射子系统100进一步包括依次连接的第一高压电源101、第一 高速电子枪102、第一电子回旋产生模块103、轨道角动量量子发射器104、 轨道角动量模态选择器106、波束赋形辐射器107以及与轨道角动量量子发射 器104连接的电磁波调制模块105。接收子系统200进一步包括依次连接的： 第二高压电源201、第二高速电子枪202、第二电子回旋产生模块203、轨道 角动量量子耦合器204、衍射放大装置205、电子分选装置206、接收解调器 207和数据处理单元208。
其中，第一高压电源101，用于提供直流高电压，通过高压将第一自由电 子加速到相对论高速状态形成高速运动的电子；第一高速电子枪102，用于产 生第一自由电子；第一电子回旋产生模块103，用于将高速运动的电子转变为 第一高速回旋运动的电子；轨道角动量量子发射器104，用于基于第一高速回 转运动的电子发射量子态轨道角动量电磁波；电磁波调制模块105，用于将通 信数据调制至轨道角动量量子发射器104发射的量子态轨道角动量电磁波上； 轨道角动量模态选择器106，用于从调制后的量子态轨道角动量电磁波中筛选 出所需模式和频率的量子态轨道角动量电磁波；波束赋形辐射器107，用于将 轨道角动量模态选择器106筛选出的量子态轨道角动量电磁波辐射到自由空 间进行传输。
在接收子系统200中，第二高压电源201，用于提供直流高电压，通过直 流高压将第二自由电子加速到相对论高速状态形成高速运动的电子；高速电 子枪202，用于产生第二自由电子；电子回旋产生模块203，用于将高速运动 的电子转变为第二高速回旋运动的电子；轨道角动量量子耦合器204，用于将 自由空间传播的量子态轨道角动量电磁波的轨道角动量耦合到第二高速回旋 运动的电子，使该回旋电子成为涡旋电子，即携带轨道角动量的电子；衍射 放大装置205，用于对涡旋电子波束进行衍射，放大扩散涡旋电子波束的尺度； 电子分选装置206，用于分离不同轨道角动量的涡旋电子波束至自由空间中的 不同位置；接收解调器207，用于对分选到不同位置的电子波束进行接收和解 调，以获取与所述涡旋电子对应的传输数据并完成系统通信；数据处理单元 208，用于对得到的传输数据进行相关数据处理，以得到最终的传输数据。
其中，数据处理可包括信道估计、信道译码和信源译码等具体处理过程。
在本发明的一个具体实施方式中，第一高压电源101，提供高速电子枪所 需的高电压，即使高速电子枪发射出的自由电子加速到相对论高速状态所需 的脉冲形式或者连续波形式的高电压，最终使高速电子辐射出脉冲形式或者 连续波形式的量子态轨道角动量电磁波。第一高速电子枪102，主要由灯丝和 阴极组成，阴极表面涂有易于发射电子的氧化物，当给灯丝加上电压后，就 有电流流过发热，烘烤阴极使阴极发射出第一自由电子。第一回旋电子产生 模块103，提供第一自由电子回旋运动所需的向心力，使高速运动的电子变为 螺旋前进的相对论回旋电子，即第一高速回旋运动的电子。轨道角动量量子 发射器104，相对论回旋电子破坏选择定则，自发辐射出频率和轨道角动量模 态数丰富的量子态电磁波，轨道角动量从第一高速回旋运动的电子跃迁到电 子辐射的电磁波量子(光子)上，产生量子态轨道角动量电磁波，并发射调 制后的量子态轨道角动量电磁波。电磁波调制模块105，将需要传送的用户数 据基带信号加载到量子态轨道角动量电磁波上。轨道角动量模态选择器106， 相对论回旋电子辐射的轨道角动量电磁波具有丰富的频率和轨道角动量模态 数，通过滤波器可以选择所需的OAM电磁波频率和模态数。波束赋形辐射器 107，将波导中的导行电磁波转换成自由空间中传输的电磁波，既可以将量子 态OAM电磁波赋形为具有螺旋波前的电磁波，也可以赋形为不具有螺旋波前 的电磁波，从而不影响OAM这一维度的量子特性。
在本发明的另一个具体实施方式中，第二高压电源201，提供高速电子枪 所需高压，通过高速电子枪发射出使自由电子加速到相对论高速状态所需的 脉冲形式或者连续波形式的高电压。第二高速电子枪202，主要由灯丝和阴极 组成，阴极表面涂有易于发射电子的氧化物，当给灯丝加上电压后，就有电 流流过发热，烘烤阴极使阴极发射出第二自由电子。回旋电子产生模块203， 提供第二自由电子回旋运动所需的向心力，使高速运动的电子变为螺旋前进 的相对论回旋电子，即第二高速回旋运动的电子。轨道角动量量子耦合器204， 处于相对论状态的回旋电子能够形成朗道能级可以吸收高阶轨道角动量的电 磁波微波量子，由于轨道角动量满足守恒定律，可将微波量子的轨道角动量 完全传递到回旋电子上，使回旋电子成为携带轨道角动量的涡旋电子。衍射 放大装置205，利用高速运动回旋电子的波粒二象性，使用多金晶体薄膜对涡 旋电子波束进行衍射，放大扩散涡旋电子波束的尺度。电子分选装置206，将 动量相同但是轨道角动量不同的涡旋电子分离到自由空间的不同位置，完成 对不同轨道角动量电子的检测。接收解调器207，在自由空间不同位置使用高 速相机接收不同轨道角动量的涡旋电子，并从涡旋电子波束调制信号恢复发 射子系统发送的用户数据。数据处理单元208，用于对得到的用户数据(即传 输数据)进行信道估计、信道译码和信源译码等过程得到最终数据。
在本发明实施例的电磁波量子态轨道角动量通信系统中，发射子系统相 对论回旋电子在理论上可以产生无限种频率和模态的量子态轨道角动量电磁 波。但是随着电子的速度越接近光速，施加给电子的电压也越高，在物理上 实现成本较高。
在本发明实施例的电磁波量子态轨道角动量通信系统中，发射子系统和 接收子系统可采用U＝35kV的高压连续波电源(即高压电源系统)给高速电 子枪(以下简称电子枪)发射的自由电子加速，并采用回旋行波管或者回旋 同步加速器设备作为产生相对论回旋电子的源，行波管的波导输入端用于输 入调制的电磁波信号，输出端用于发射量子态轨道角动量电磁波，施加与回 旋行波管或者回旋同步加速器设备主轴方向(设为z轴)一致的匀强磁场，通 过改变施加磁场，调整辐射量子态电磁波的基波频率。
作为具体示例，在本发明中采用通电螺线管系统提供磁感应强度大约为B ＝0.19T的匀强磁场，基波频率为5GHz，二次谐波频率为10GHz，经过高 压电源加速后的高速运动电子在匀强磁场中受到洛伦兹力的作用而变为高速 回旋运动的电子，此外还设置有水冷系统，水负载功率测量频谱分析系统和 中央控制系统，水冷系统可以利用水的比热容大的特点对整个回旋行波管或 者回旋同步加速器设备进行散热，水负载功率测量频谱分析系统用于测量回 旋电子的辐射功率以及电磁波频谱含量，中央控制系统可以完成电子枪电压 电流设置，通电螺线管电源电压电流设置，高压电源输出电压设置和连续波 工作模式或脉冲工作模式设置。
作为具体示例，回旋行波管或者回旋同步加速器设备内部真空与其外部 自由空间使用陶瓷隔离，真空度为10-5Pa，设真空中电磁波传播的速度为c＝ 3×108m/s，电子的质量为me＝9.109×10-31kg，约化普朗克常量为 h＝1.0546×10-34J/s，真空介电常数为ε0＝8.854×10-12F/m，电子的元电荷为 e＝1.6×10-19C，电子的相对论静止能量为E0＝511keV，可以近似计算电子经 高压脉冲或连续波电源加速后的洛伦兹因子为γ≈1+U/E0≈1.068，也即加速 后电子的质量变为原来的γ倍，由洛伦兹因子的定义可以计算得加速后电子的速度为v＝1.057×108m/s，回旋频率为5GHz。在磁场中作回旋运动的相对论 电子可以吸收微波量子的轨道角动量成为涡旋电子，在柱坐标系
中，(ρ表示柱坐标系中的径向大小，
表示柱坐标系中的方位角，z表示柱 坐标系中的z方向距离)，匀强磁场中涡旋电子轨道角动量本征态波函数的表 达式可写为：
其中，
是一个与径向量子数n和轨道角动量模态数
有关的常数，
是 广义拉盖尔多项式，
是涡旋电子在磁场中等效的径向变量，kz表 示涡旋电子沿z方向的动量，涡旋电子的OAM本征值为
所有本征态都 可以组合成任意轨道角动量复用态
其中，
是模态数为
的 轨道角动量电子的权重，
是径向量子数为n和轨道角动量模态数为
的涡 旋电子波函数。
图2示出了根据本发明实施例的具有不同径向量子数和轨道角动量量子 数的涡旋电子。
如图2所示，具有不同径向量子数和轨道角动量模态数的涡旋电子的形 状并不相同，且所有的涡旋电子都具有类似“甜甜圈”形状。轨道角动量模 态数
表示了涡旋电子沿方位向的特征，当径向量子数相同时，
越大，涡旋 电子的轨道角动量越大，其波束中心空洞越大，而径向量子数n表示涡旋电 子具有(n+1)个圆环。携带OAM的涡旋电子同样具有波粒二象性，并且它们 穿过单个狭缝、孔或者晶体薄膜时均可以在屏幕上形成衍射图案，通过衍射 图案和分选的方式可以识别不同复用OAM模式的涡旋电子，间接完成对微波 量子OAM模式的检测。此外，多晶体衍射图案的特征在于依次排列的同心圆 环，单晶体衍图案的特征在于离散有规则排列的亮点，它们均是由于涡旋电 子在晶体内的晶胞上发生了散射，所有晶胞的散射波相互叠加形成衍射图案。
图3示出了本发明实施例的磁场中的涡旋电子被晶胞散射。
如图3所示，电子束在磁场B中，且在xOy平面中绕z轴旋转，其沿z 轴的动量为
立方体表示晶胞，带箭头的线表示磁场的方向，沿z轴螺 旋进动的线表示涡旋电子的运动轨迹，晶胞附近的圆环线表示涡旋电子在此 处发生衍射，衍射点组成一个圆环，当电子束透射金属膜时会发生衍射，在 本发明的实施例中，衍射金属膜可选择单晶体金(Au)、单晶体硅(Si)、多 晶体金和多晶体硅等多种材质。
在本发明中，电子的能量可以被表示为E＝p2/(2m)＝eU，电子的德布罗 意波长可以被表示为
其比X射线的波长要小很多，根据布拉 格衍射条件2dsinθ＝mλ，其中d是衍射面的厚度，m是一个正整数，因此电子 的衍射角也比X射线的衍射角小(电子的衍射角一般不超过5°，X射线的 衍射角在0到360°连续分布)。普通晶体的晶面间距为d≈1nm，因此电子的 布拉格角θ非常小，入射电子束透射金箔或硅箔，与由衍射晶体原子组成的衍 射面略成角度产生衍射。因此，电子比X射线更容易被晶体中规则排列的原 子散射。电子入射波的强度几乎等于衍射束的强度，每个原子都可以看作是 一个新的电子波源。
假设涡旋电子和原子彼此之间发生弹性散射，即参与散射的电子和原子 内部能量与结构不发生变化，一阶波恩近似理论可被用于计算散射幅度：
其中，V(r)表示涡旋电子和原子相互作用的势，F[·]表示傅里叶变换函数，可 以看作电子OAM波函数从位置空间到动量空间的转换，由于入射OAM涡旋 电子多路复用状态的动量k相同，因此散射后的出射动量k′也相同。散射幅度 的最终表达式可以被计算为：
其中，V0表示原子中心势场强度，
表示散射电子波束出射方向的方位角，
μ 是一个与原子类型有关的常数，κ是散射前涡旋电子波束的横向动量，并且 满足
此外，当OAM模态的大小不同时，散射幅度也不同，可以 用于OAM单个模态和OAM复用模式的检测。另外，晶体衍射的方向可以通 过埃瓦尔德球来确定，晶体取向指数[uvw]和倒易晶格晶面指数(h,k,l)满足 hu+kv+lw＝N，N是一个非负数，当N＝0时，衍射区称为零级劳厄区(ZOLZ)； 当N＞0时，衍射区称为高阶劳厄区(HOLZ)。
图4示出了本发明实施例的单晶体金和硅的涡旋电子衍射图。
如图4所示，在本发明实施例中，图4(a1)至图4(f1)示出了不同单OAM 模态和复用OAM模式涡旋电子单晶金的衍射图案，其中电子的能量为70 keV，检测器的边长为16mm，检测器距离衍射晶体的距离为200mm；图4(a2) 至图4(f2)示出了不同单OAM模态和复用OAM模式涡旋电子单晶硅的衍射 图案，其衍射参数与单晶金衍射参数相同。
通过衍射图案的蒙特卡罗模拟仿真识别，可以得到不同的单OAM模态和 复用OAM模式的理论识别概率。可以看出，由于不同晶体(单晶金和单晶硅) 的内部原子排列不同，不同单晶的电子衍射图案也略有不同。此外，对于不 同的晶体，单OAM模态的电子衍射图案几乎相同，并且随着OAM模态数绝 对值的增加，衍射图案的中心空洞变大。当电子能量和衍射参数一定时，容 易通过中心空洞大小判断不同的OAM模态。然而，单晶衍射不能很好地区分 多路复用OAM模式，因为多路复用OAM模式和单OAM模态之间的最大差 异在于涡旋电子的旋转对称性被破坏，从而导致单晶衍射消光点的数量增加， 复用模式之间变得难以区分。而且当复用OAM的数量增加时，情况更加复杂。 然而，多晶体涡旋电子衍射的情况则不同。
图5示出了本发明实施例的多晶体金和硅的涡旋电子衍射图。
如图5所示，在本发明实施例中，图5(a1)至图5(f1)示出了不同单OAM 模态和复用OAM模式涡旋电子多晶金的衍射图案，其中电子的能量为70 keV，检测器的边长为16mm，检测器距离衍射晶体的距离为200mm；图5(a2) 至图5(f2)示出了不同单OAM模态和复用OAM模式涡旋电子多晶硅的衍射 图案，其衍射参数与多晶金衍射参数相同。随着单OAM模态绝对值增加，多 晶体衍射图案的中心空洞也增大，这与单晶衍射相同。与单晶衍射不同的是，多晶的晶胞晶面方向几乎在晶体所有方向上都有分布，并且在发生衍射时， 衍射前的波束形状大部分被保留，仅衍射图样被放大，这与自由空间OAM电 子束的夫琅禾费衍射十分相似。
在本发明实施例中，相同的单晶衍射图样的ZOLZ将具有中心空洞，并 且随着OAM模态数的绝对值
变大；可以从HOLZ旋转性获得OAM模态
的 符号，并且HOLZ逆时针和顺时针旋转分别对应于
的正负。
在本发明实施例中，单晶和多晶衍射均不能在动量空间中对不同的OAM 模态进行分选，但是可以使用笛卡尔到对数极坐标变换方法获得OAM模态分 布谱。笛卡尔到对数极坐标变换方法基于两个衍射器件。第一个器件称为映 射器，可以通过以下表达式将入射电子束的坐标(x-y平面)映射到输出傅立 叶坐标(u-v平面)：
其中，a＝d/2π，d是第二个衍射器件(校正器)的宽度，b决定了变换波束 沿v轴的倾斜度。另外，两个衍射器件的相位表达式可以表示为
其中，L是两个衍射器件之间的距离，η是衍射器件的折射率。
图6示出本发明实施例的经过两个电子衍射器件的涡旋电子图。
如图6所示，在本发明实施例中，图6(a1)至图6(f1)示出了不同单OAM 模态和复用OAM模式涡旋电子经过映射器的图案；图6(a2)至图6(f2)示出 了不同单OAM模态和复用OAM模式涡旋电子经过映射器再经过校正器的图 案。具有不同OAM模态的涡旋电子在屏幕上对应于垂直轴的位置不同，因此 可以将不同的OAM涡旋电子分离到自由空间不同的位置，实现对复用OAM 模式高效率检测并解复用。综上所述，涡旋电子的单晶和多晶衍射图样都可以区分不同的单OAM模态电子，只有多晶衍射才能区分不同的多路复用 OAM电子束。另外，在外部分选器件(映射器和校正器)存在的情况下，复 用OAM状态理论检测概率接近100％。
与上述电磁波量子态轨道角动量通信系统相对应的，本发明还提供一种 电磁波量子态轨道角动量通信方法，利用电磁波量子态轨道角动量通信系统 完成对量子态轨道角动量电磁波的传输。
本发明实施例的电磁波量子态轨道角动量通信方法，包括以下流程：
第一步：发射子系统通过相对论回旋电子发射调制数据的复用量子态轨 道角动量电磁波至接收子系统；
第二步：接收子系统对复用量子态轨道角动量电磁波进行接收并处理， 通过回旋电子耦合电磁波信号并经过衍射放大、分选得到携带不同轨道角动 量的电子波束，完成对轨道角动量的解复用，最后对信号进行解调获得传输 数据，完成通信的功能。
具体地，在发射子系统中，第一高压电源，用于提供直流高压，通过直 流高压将第一自由电子加速到相对论高速状态形成高速运动的电子；第一高 速电子枪，用于产生第一自由电子；第一电子回旋产生模块，用于将高速运 动的电子转变为第一高速回旋运动的电子；电磁波调制模块，用于将通信数 据加载到第一高速回旋运动的电子的高频振荡信号上并由轨道角动量量子发 射器发射；轨道角动量量子发射器，用于高速回旋运动的电子产生量子态轨 道角动量电磁波并调制数据；轨道角动量模态选择器，用于从量子态轨道角 动量电磁波中筛选出所需模式和频率的量子态轨道角动量电磁波；波束赋形 辐射器，用于将筛选出的量子态轨道角动量电磁波辐射到自由空间当中。用 多个发射不同量子态轨道角动量的发射子系统可以构成复用电磁波量子态轨 道角动量发射子系统，用于辐射复用的电磁波量子态轨道角动量信号，即同 一频率具有多个轨道角动量模态且进行互不干扰正交传输的调制信号。
在接收子系统中，第二高压电源，用于提供直流高压，通过直流高压将 第二自由电子加速到相对论高速状态形成高速运动的电子；第二高速电子枪， 用于产生第二自由电子；第二电子回旋产生模块，用于将高速运动的电子转 变为第二高速回旋运动的电子；轨道角动量量子耦合器，用于将自由空间传 播的量子电磁波的轨道角动量耦合到回旋电子并使回旋电子成为涡旋电子， 即携带轨道角动量的电子；衍射放大装置，用于对涡旋电子进行衍射，放大 扩散涡旋电子波束的尺度；电子分选装置，用于分离不同轨道角动量的涡旋 电子波束至自由空间中的不同位置；接收解调器，用于对分选到不同位置的 电子波束进行接收和解调，即从电子波束携带的信号中获得传输数据完成系 统通信的功能；数据处理单元，用于对得到的数据进行信道估计、信道译码 和信源译码等过程得到最终数据。
上述电磁波量子态轨道角动量的通信方法的具体实施例可参考电磁波量 子态轨道角动量的通信系统的实施例描述，此处不一一赘述。
综上所述，电磁波量子态轨道角动量通信系统及方法能够利用相对论回 旋电子耦合微波量子，经过衍射放大分选器件，检测微波量子OAM单模态和 复用模式，真正发挥OAM作为新维度的优势，避免传统电磁波轨道角动量通 信方式使用天线检测电场强度对轨道角动量间接检测存在的问题，实现轨道 角动量传感器的功能，能够直接测量轨道角动量。此外，电磁波量子态轨道 角动量通信系统还可以利用量子态轨道角动量的正交性大幅度提高通信系统 的频谱效率和传输容量，并且可以利用OAM量子态新维度特性进行OAM联合编码调制，OAM电磁波多址接入，通信性能优异。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的电磁波量子态轨道角动量 通信系统及方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出 的电磁波量子态轨道角动量通信系统及方法，还可以在不脱离本发明内容的 基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的 内容确定。
Claims (8)
1.一种电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，所述系统包括发射子系统、接收子系统；其中，
所述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，以及与所述轨道角动量量子发射器连接的电磁波调制模块；
所述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；
所述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；
所述接收子系统用于接收耦合所述复用量子态轨道角动量电磁波信号，以对所述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，并对解复用和解调处理后的数据进行数据处理；其中，在所述发射子系统中，
所述第一高速电子枪，用于产生第一自由电子；
所述第一高压电源，用于提供直流高压，将所述第一自由电子加速至相对论高速状态，形成高速运动的电子；
所述第一电子回旋产生模块，用于将所述高速运动的电子转变为第一高速回旋运动的电子；
所述轨道角动量量子发射器，用于基于所述第一高速回旋运动的电子发射量子态轨道角动量电磁波；
所述电磁波调制模块，用于将通信数据调制至所述量子态轨道角动量电磁波上；
所述轨道角动量模态选择器，用于从调制后的量子态轨道角动量电磁波中筛选出所需模态和频率的量子态轨道角动量电磁波；
所述波束赋形辐射器，用于将筛选出的量子态轨道角动量电磁波辐射到自由空间；
在所述接收子系统中，
所述第二高速电子枪，用于产生第二自由电子；
所述第二高压电源，用于提供直流高压，将所述第二自由电子加速至相对论高速状态，形成高速运动的电子；
所述第二电子回旋产生模块，用于将所述高速运动的电子转变为第二高速回旋运动的电子；
所述轨道角动量量子耦合器，用于将自由空间中的所述量子态轨道角动量电磁波耦合到所述第二高速回旋运动的电子，形成涡旋电子；
所述衍射放大装置，用于对所述涡旋电子进行衍射，以放大扩散所述涡旋电子波束的尺度；
所述电子分选装置，用于分离不同轨道角动量的涡旋电子波束至自由空间中的不同位置；
所述接收解调器，用于对分选到不同位置的涡旋电子波束进行接收和解调，以获取与所述涡旋电子对应的传输数据并完成系统通信；
所述数据处理单元，用于对所述传输数据进行数据处理。
2.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，
所述数据处理包括信道估计、信道译码和信源译码。
3.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，
所述第一电子回旋产生模块、所述第二电子回旋产生模块分别包括传播方向匀强磁场、波荡磁场、静电静磁混合场。
4.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，
所述量子态轨道角动量电磁波包括光波、射线、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，
所述轨道角动量模态选择器为谐振腔和/或波导。
6.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，
所述波束赋形辐射器为矩形波导、圆波导、平行平板波导或反射面中的任意一种。
7.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统，其特征在于，
所述复用量子态轨道角动量电磁波信号包括同一频率中的多个不同轨道角动量模态且正交传输的调制信号。
8.一种电磁波量子态轨道角动量通信方法，其特征在于，利用如权利要求1至7任一项所述的电磁波量子态轨道角动量通信系统对携带数据的轨道角动量信号进行传输；其中，所述方法包括：
发射子系统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；
接收子系统对所述复用量子态轨道角动量电磁波信号进行接收并处理，以对所述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，并对解复用和解调处理后的数据进行数据处理，实现通信。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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