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Approaching the Fundamental Limit of Orbital-Angular-Momentum Multiplexing Through a Hologram Metasurface

角动量 物理 角谱法 轨道角动量复用 多路复用 光学 极限(数学) 全息术 光的轨道角动量 总角动量 衍射 计算机科学 经典力学 电信 数学分析 数学
作者
Shuai Yuan,Jie Wu,Menglin L. N. Chen,Zhihao Lan,Liang Zhang,Sheng Sun,Zhixiang Huang,Xiaoming Chen,Shilie Zheng,Lijun Jiang,Xianmin Zhang,Wei E. I. Sha
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:16 (6) 被引量:25
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.16.064042
摘要

Establishing and approaching the fundamental limit of orbital angular momentum (OAM) multiplexing are necessary and increasingly urgent for current multiple-input multiple-output research. In this work, we elaborate the fundamental limit in terms of independent scattering channels (or degrees of freedom of scattered fields) through angular-spectral analysis, in conjunction with a rigorous Green function method. The scattering channel limit is universal for arbitrary spatial mode multiplexing, which is launched by a planar electromagnetic device, such as antenna, metasurface, etc, with a predefined physical size. As a proof of concept, we demonstrate both theoretically and experimentally the limit by a metasurface hologram that transforms orthogonal OAM modes to plane-wave modes scattered at critically separated angular-spectral regions. Particularly, a minimax optimization algorithm is applied to suppress angular spectrum aliasing, achieving good performances in both full-wave simulation and experimental measurement at microwave frequencies. This work offers a theoretical upper bound and corresponding approach route for engineering designs of OAM multiplexing.
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