軌道角運動量の多重化

軌道角運動量多重化は、電磁波の軌道角運動量（OAM）を利用して異なる直交信号を区別し、電磁波で運ばれる信号を多重化する物理層方式である。 ^[1]

OAM は、光の角運動量の 2 つの形式のうちの 1 つです。光スピン角運動量とは異なり、混同しないでください。後者は、円偏光の 2 つの状態に対応する2 つの直交 量子状態のみを提供し、偏光多重化と位相シフトの組み合わせと同等であることが実証されています。一方、OAM は、拡張された光線と、拡張に伴うより高い量子自由度に依存しています。したがって、OAM 多重化は、潜在的に無制限の状態セットにアクセスできるため、現実世界の光学の制約のみを受け、はるかに多くのチャネルを提供できます。この制約は、厳密なグリーン関数法と組み合わせて、角度スペクトル解析による散乱場の自由度または独立した散乱チャネルの観点から明確にされています。^[2] 自由度の制限は、アンテナ、メタサーフェスなどの平面電磁気デバイスによって開始され、事前に定義された物理的開口部を持つ任意の空間モード多重化に対して普遍的です。

2013 年現在^{[アップデート]}、OAM 多重化は、他の既存の変調および多重化方式と組み合わせて使用​​することで帯域幅を大幅に向上させることが期待されていますが、まだ実験段階の技術であり、これまでは実験室でのみ実証されています。OAM は情報伝播の新しい量子モードを利用するという初期の主張に続いて、この技術は物議を醸しており、多くの研究で、古典的な情報理論の限界に従う、厳密に変調された MIMO 多重化戦略の特定の形式と見なすことで、純粋に古典的な現象としてモデル化できることが示唆されています。

2020年現在^{[アップデート]}、電波望遠鏡による観測から得られた新たな証拠は、天文学的スケールの自然現象において無線周波数軌道角運動量が観測された可能性があることを示唆しているが、この現象はまだ調査中である。^[3]

OAM多重化は、2004年にすでに自由空間で光ビームを使用して実証されていました。^[4]それ以来、OAMの研究は無線周波数と光伝送の2つの分野で進められてきました。

2011年の実験では、442メートルの距離で2つの非干渉性無線信号のOAM多重化が実証されました。 ^{[5]理論的な研究では、無線周波数では、従来のMIMO技術がOAMを伝送する無線ビームの線形運動量特性の多くを複製することが示されており、追加のパフォーマンスゲインはほとんどまたはまったくないことが示唆されているため、OAMは、すでに}MIMOを使用している従来の線形運動量ベースのRFシステムで達成できることを改善しないと言われています。^[6]

2012年11月、無線周波数におけるOAM多重化の基本的な理論的概念について、タンブリーニとタイドの研究グループと、通信技術者や物理学者のさまざまな陣営の間で意見の相違があるとの報告があり、OAM多重化はMIMOの単なる実装であるとの考えを表明する人もいれば、OAM多重化は実験的に確認された独自の現象であるという主張を固持する人もいた。^{[7] [8] [9]}

2014年、研究者グループは、OAMと偏光モード多重化の組み合わせを使用して多重化された8つのミリ波チャネルを介した通信リンクの実装を説明し、2.5メートルの距離で32Gbit/sの総帯域幅を達成しました。^[10]これらの結果は、エドフォースらによる厳しく制限された距離に関する予測とよく一致しています。^[6]

2015年に無線周波数でのOAMベース通信の当初の推進者の一部（Siae Microelettronicaを含む）が理論的な調査^{[11]を発表し、容量と全体的なアンテナ占有率の点で従来の}空間多重化を超える実質的な利点はないことを示唆して以来、長距離マイクロ波OAM多重化に対する産業界の関心は低下しているようだ。

2019年に王立天文学会月報に掲載された論文では、5000万光年以上離れたM87*ブラックホール付近からOAM電波信号が受信されたという証拠が提示され、軌道角運動量の情報が天文学的な距離を超えて伝播できることが示唆された。^[3]

OAM多重化は光領域で試験されている。2012年に研究者らは、  1本の光線で8つの異なるOAMチャネルを使用して、最大2.5Tbits/sのOAM多重化光伝送速度を実証したが、これは約1メートルの非常に短い自由空間経路上でのみであった。 ^{[1] [12]} OAM技術を長距離の実用的な自由空間光通信リンクに適用する研究が進行中である。^[13]

OAM多重化は、既存の長距離光ファイバーシステムでは実装できません。これらのシステムは、本質的に光のOAM状態をサポートしないシングルモードファイバーに基づいているためです。代わりに、数モードまたはマルチモードファイバーを使用する必要があります。OAM多重化の実装に関する追加の問題は、従来のファイバーに存在するモード結合によって引き起こされます。 ^[14]これにより、通常の状態ではモードのスピン角運動量が変化し、ファイバーが曲げられたり応力がかかったりすると軌道角運動量が変化します。このモードの不安定性のため、直接検出OAM多重化は長距離通信ではまだ実現されていません。2012年、ボストン大学の研究者は、特殊なファイバーで20メートル後に97％の純度でOAM状態を伝送することを実証しました。^[15]その後の実験では、これらのモードが50メートルの距離で安定して伝搬することが示されており、^[16]この距離のさらなる改善が進行中の作業の対象です。将来の光ファイバー伝送システムで OAM 多重化を機能させるためのその他の進行中の研究には、光偏波多重化におけるモード回転を補正するために使用されるものと同様の技術を使用する可能性も含まれています。^{[引用が必要]}

直接検出OAM多重化の代替として、計算が複雑なコヒーレント検出とMIMOデジタル信号処理（DSP）アプローチがあり、これを使用して長距離通信を実現できます。^[17]コヒーレント検出ベースのシステムでは、強いモード結合が有益であると示唆されています。^[18]

当初、OAM多重化は複数の位相板や空間光変調器を用いて実現されていました。オンチップOAM多重化装置は当時、研究対象となっていました。2012年、Tiehui Suらによる論文で、統合型OAM多重化装置が実証されました。^[19]統合型OAM多重化装置のさまざまなソリューションは、2012年のXinlun Caiの論文で実証されました。^[20] 2019年、Jan Markus BaumannらがOAM多重化用のチップを設計しました。^[21]

2013年にサイエンス誌に掲載されたボジノビッチらの論文では、1.1kmのテストパスでOAM多重化光ファイバー伝送システムの実証に成功したと主張されている。^{[22] [23]}このテストシステムは、「渦」屈折率プロファイルを持つファイバーを使用して、最大4つの異なるOAMチャネルを同時に使用することができた。彼らはまた、同じ装置を使用して、2つのOAMモードのみを使用して、OAMとWDMの組み合わせを実証した。^[23]

2018年にOptics Expressに掲載されたKasper Ingerslevらの論文では、1.2kmの空芯ファイバー上で12の軌道角運動量（OAM）モードをMIMOフリーで伝送できることが実証されています。^[24]システムのWDM互換性は、10GBaud QPSK信号で60、25GHz間隔のWDMチャネルを使用することで示されています。

2014 年、G. Milione らおよび H. Huang らによる論文では、5 km の従来の光ファイバー^{[25] [26] [27]}を使用した OAM 多重化光ファイバー伝送システムの初めての成功した実証が発表されました。これは、円形コアとグレーデッド インデックス プロファイルを持つ光ファイバーです。Bozinovic らによる研究では、「渦」屈折率プロファイルを持つカスタム光ファイバーが使用されていましたが、G. Milione らおよび H. Huang らによる研究では、デジタル MIMO後処理を使用してファイバー内のモード混合を補正することで、市販の光ファイバーで OAM 多重化を使用できることが示されました。この方法は、ファイバーの曲がりの変化など、伝播中にモードの混合を変えるシステムの変化に敏感であり、独立したモードの数を増やすにはかなりの計算リソースが必要ですが、大きな可能性を秘めています。

2018年にロイヤルメルボルン工科大学のZengji Yue、Haoran Ren、Shibiao Wei、Jiao Lin、Min Gu ^[28]は この技術を小型化し、大きな食卓ほどの大きさから通信ネットワークに統合できる小さなチップにまで縮小しました。彼らは、このチップにより光ファイバーケーブルの容量が少なくとも100倍に増加し、技術がさらに開発されればさらに増加する可能性があると予測しています。

• 光の角運動量
• 光渦
• 偏波分割多重
• 渦度
• 波長分割多重

• * Siae Microelettronica 特許