光子辅助涡旋毫米波接收技术研究

Vortex radio waves could revolutionize telecommunications. This project is aimed at millimeter-wave orbital angular momentum (OAM) communication application, presents a novel photonic-assisted OAM millimeter-wave beam receiving technology. Based on the OAM feature of whispering gallery modes (WGM) in dielectric resonator, combining dielectric lens antenna by quasi-optical design, a novel class of OAM millimeter-wave receiving antennas will be developed. And further packaging the dielectric resonator and electro-optic crystal microdisk, the vortex millimeter-wave signal will be modulated on the lightwave, and the fusion of high-speed millimeter-wave communication and optical fiber transmission technology will be realized. The project will investigate the interaction mechanism between the space OAM millimeter-wave beams, dielectric resonator WGM millimeter-waves, and electro-optic crystal microdisk WGM waves by the theoretical analysis, numberical simulation and experimental research, in order to get the solutions of the coupling mechanism between the space OAM beams and the dielectric resonator WGM modes, the modulation mechanism of millimeter-wave on light in the composite structure of dielectric resonator and electro-optic crystal microdisk, and the quasi-optical design methods for OAM millimeter-wave beam convergence. The practical photonic-assisted OAM millimeter-wave receiving system scheme with compact structure and high sensitivity will be expected.

涡旋电磁波将对当今无线通信技术产生革命性的影响。本项目针对毫米波轨道角动量（OAM）通信的应用，提出了一种新颖的光子辅助OAM毫米波束接收技术。基于介质谐振器回音壁模（WGM模）的OAM特征，通过准光设计组合介质透镜天线，发展一类新型的OAM毫米波接收天线。并进一步利用介质谐振器与电光晶体微碟的有机结合，将涡旋毫米波信号调制至光波，实现高速毫米波通信与光纤传输技术的融合。本项目将从理论分析、数值仿真和实验等三个方面，对空间OAM毫米波束、介质谐振器WGM模毫米波以及电光晶体微碟WGM模光波三者之间的相互作用机理进行深入系统的研究，以期解决空间OAM波束与介质谐振器WGM模的耦合机理、介质谐振器和电光晶体微碟组合结构中毫米波对光波的调制机理、以及OAM毫米波束会聚的准光设计方法等关键技术，获得结构紧凑、高灵敏度、可实用化的光子辅助OAM毫米波接收系统方案。

轨道角动量（OAM）作为电磁波未被有效利用的特征维度，其理论和应用研究对通信、电磁传感等领域发展具有重要意义。本项目研究毫米波轨道角动量及光子辅助接收技术。.提出了对回音壁模式谐振器进行计算与分析的保角变换和传输线方法。利用这种简便高效的方法，对不同尺寸的谐振器中回音壁模式的场分布与谐振频率进行了详细的分析和研究。.实现了超高品质因数回音壁模式光学谐振器的设计和制备。成功完成了z切和x切铌酸锂谐振器、氟化镁谐振器等多种不同类型的回音壁模式碟形谐振器的设计和制备。利用线宽法和CRD 法，完成了多种不同类型的回音壁模式光学谐振器品质因数的测量。测量结果表明，z切和x切铌酸锂回音壁模式谐振器的品质因数分别为Q=1.2e7和Q=2.7e7。研究了回音壁模式谐振器的电光效应，进行了理论和实验上的研究。.基于回音壁模式谐振器，提出了独特的射频OAM波束产生方法，实现了单天线多OAM模态的发射接收及复用。可用环形谐振器缝隙、介质谐振器、基片集成波导等多种方式实现，为非阵列形式，体积小、馈电方便。.实验演示了10GHz和60GHz频段的OAM复用发射、解复用接收和通信实验，成功实现了4个OAM通道、每通道40Mbit/s的QPSK-OFDM复用传输，进行了高清数字电视信号的传输，验证了射频OAM通信的可行性。.进行了光子辅助移相解调OAM复用通信链路实验。OAM多路复用两个OFDM-QPSK信号并用环形行波天线发送。采用部分偏角接收方案，接收到的信号由基于可编程光谱处理器和单模光纤组成的微波光子解复用器解复用。两个OAM信道误码率分别是2.5e-5和1.4e-4。