特許 7636799 軌道角運動量の検出を伴う電磁放射ビームを送受信するための方法およびシステムおよび関連する電気通信方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-18

(45)【発行日】2025-02-27

(54)【発明の名称】軌道角運動量の検出を伴う電磁放射ビームを送受信するための方法およびシステムおよび関連する電気通信方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   H04J 14/00 20060101AFI20250219BHJP

   H04B 10/11 20130101ALI20250219BHJP

   H04B 10/50 20130101ALI20250219BHJP

   H04B 10/60 20130101ALI20250219BHJP

   G02F 2/00 20060101ALI20250219BHJP

【ＦＩ】

H04J14/00

H04B10/11

H04B10/50

H04B10/60

G02F2/00

【請求項の数】 26

(21)【出願番号】P 2021560730

(86)(22)【出願日】2020-04-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-08

(86)【国際出願番号】 IB2020053150

(87)【国際公開番号】W WO2020208485

(87)【国際公開日】2020-10-15

【審査請求日】2023-03-23

(31)【優先権主張番号】102019000005706

(32)【優先日】2019-04-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】516002716

【氏名又は名称】ウニヴェルシタ デッリ ストゥディ ディ ミラノ

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(72)【発明者】

【氏名】ポテンツァ，マルコ

(72)【発明者】

【氏名】パローリ，ブルーノ

(72)【発明者】

【氏名】シアーノ，ミルコ

【審査官】後澤 瑞征

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５１７９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３０１４７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３５３２４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０００７１３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６７８８７４５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｊ １４／００

Ｈ０４Ｂ １０／１１ － １０／１１８

Ｈ０４Ｂ １０／４０ － １０／６９

Ｇ０２Ｆ ２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受信した電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するように適合された、電磁放射ビームを送信および受信するための方法であって、前記方法は、
－第１の軌道角運動量（Ｌ_１）、第１の周波数帯域における第１のスペクトル、および第１のビーム曲率半径によって特徴付けられる少なくとも１つのメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）を生成するステップと、
－第２の軌道角運動量（Ｌ_０）、前記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の第２のスペクトル、および前記第１のビーム曲率半径と実質的に一致する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビーム（Ｆ０）を生成するステップと、
－前記少なくとも１つのメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）および基準電磁放射ビーム（Ｆ０）の重ね合わせからなる複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を生成するステップと、
－前記生成された複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を送信するステップと、
－第１の位置に配置された第１のビーム検出器（１）によって前記複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を受信して、前記第１の位置での複合ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）を生成するステップと、
－前記第１の位置とは異なる第２の位置に配置された第２のビーム検出器（２）によって前記複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を受信して、前記第２の位置での複合ビームの受信電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号（Ｄ２）を生成するステップと、
－前記第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）の周波数弁別を実行して、前記第１の位置にあるメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）による電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）と、前記第１の位置にある基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）とを取得するステップと、
－前記第２の複合ビーム電気信号（Ｄ２）の周波数弁別を実行して、前記第２の位置にあるメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）による電界および／または磁界および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）と、前記第２の位置にある基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）とを取得するステップと、
－前記第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）、第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）、第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）および第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）に基づいて、メイン電磁放射ビームの軌道角運動量（Ｌ_１）および／または前記メイン電磁放射ビームの軌道角運動量（Ｌ_１）によるメイン電磁放射ビームの空間位相変動を決定するステップと、
を含む、方法。

【請求項2】

決定するステップは、
－第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）の位相と第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）の位相との間の差に対応する第１の位相差値（ΔＰ）を決定するステップと、
－第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）の位相と第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）の位相との間の差に対応する第２の位相差値（ΔＲ）を決定するステップと、
－第１の波数（ｋ）で割った第１の位相差値（ΔＰ）から第２の波数（ｋ’）で割った第２の位相差値（ΔＲ）を減算して、ビーム伝搬に対する２つの検出器の相対位置から導き出される、前記第１のビーム検出器（１）と第２のビーム検出器（２）との間の位置傾斜条件に依存せず、かつ、受信前に送信された複合電磁放射ビーム（Ｑ１）が被る外乱による位相変動に依存しない差値（Ｑ２＝ΔＰ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を得るステップと、
ここで、第１の波数（ｋ）は、前記メイン電磁放射ビーム（Ｆ１）に対応する波数であり、ｋ＝２π／λとして定義され、λは、前記メイン電磁放射ビーム（Ｆ１）の波長であり、第２の波数（ｋ’）は、前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）に対応する波数であり、ｋ’＝２π／λ’として定義され、λ’は、前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）の波長であり、
－前記得られた差値（Ｑ２＝ΔＰ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）に基づいてメイン電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

メイン電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するステップは、
－次の式に基づいてメイン電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するステップと、
ΔＰ／ｋ－ΔＲ／ｋ’∝（Ｌ_１／ｋ－Ｌ_０／ｋ’）（θ_２－θ_１）
ここで、θ_１は、第１のビーム検出器（１）を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面で測定された第１のビーム検出器（１）の角度位置であり、θ_２は、第２のビーム検出器（２）を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面で測定された第２のビーム検出器（２）の角度位置である、
を含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

－第１の位相差値（ΔＰ）を決定するステップは、第１の位相比較器（３）を用いて、第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）の位相を第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）の位相と比較するステップを含み、
－第２の位相差値（ΔＲ）を決定するステップは、第２の位相比較器（４）を用いて、第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）の位相を第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）の位相と比較するステップを含む、
請求項２に記載の方法。

【請求項5】

－第１の位相差値（ΔＰ）を決定するステップは、第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）と第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）との間の相関演算を実行するステップを含み、
－第２の位相差値（ΔＲ）を決定するステップは、第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）と第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）との間の相関演算を実行するステップを含む、
請求項２に記載の方法。

【請求項6】

基準ビームの軌道角運動量は、常に知られている、請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

基準ビームの軌道角運動量は、一定値Ｌ_０＝０を取る、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

第１のビーム検出器（１）の第１の位置および第２のビーム検出器（２）の第２の位置は、固定されて一定であり、ビームの渦の特異点の位置とは異なる、
請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

第１のビーム検出器（１）の第１の位置および／または第２のビーム検出器（２）の第２の位置は、移動可能であり、前記第１の位置と第２の位置との間の相互関係は、常に知られている、
請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

第２の周波数帯域は、実質的に単色である、請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

第２の周波数帯域は、第１の周波数帯域に隣接している、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

第１または第２の複合ビーム電気信号の周波数弁別を実行するステップは、
－周波数フィルタリングを実行するステップ、または、
－ヘテロダイン技術または他の周波数分離方法による周波数分離を実行するステップ、
を含む、請求項１ないし１１のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

少なくとも１つのメイン電磁放射ビームは、変調されていない、請求項１ないし１２のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項14】

少なくとも１つのメイン電磁放射ビームは、振幅変調、および／または位相変調、および／または周波数変調、および／または軌道角運動量変調される、請求項１ないし１２のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項15】

送受信される複合電磁放射ビーム（Ｑ１）は、光ビームおよび／またはレーザビームである、請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項16】

任意の既知の変調技術に従って変調信号の電気通信を実行し、軌道角運動量変数で多重化することによってグループ化するための方法であって、前記方法は、
－第１の軌道角運動量（Ｌ_１）によって特徴付けられる第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）を生成し、少なくとも１つのそれぞれの第２の軌道角運動量（Ｌ_２）によって特徴付けられる少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）を生成するステップと、
ここで、第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）および少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）の両方は、同じ第１の周波数帯域にそれぞれのスペクトルを有し、さらに、第１のビーム曲率半径値と実質的に一致するそれぞれの曲率半径を有し、
－第１の変調ビーム（Ｆｍ１）を得るために、任意の変調技術によって、第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）で、第１の変調関数ａ（ｔ）によって表される、送信される第１の情報を変調するステップと、
－第２の変調ビーム（Ｆｍ２）を得るために、任意の変調技術によって、少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）で、第２の変調関数ｂ（ｔ）によって表される、送信される少なくとも１つの第２の情報を変調するステップと、
－第２の軌道角運動量（Ｌ_０）、前記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の第２のスペクトル、および前記第１のビーム曲率半径値と実質的に一致する値を有する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビーム（Ｆ０）を生成するステップと、
－前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）および第２の変調ビーム（Ｆｍ２）を重ね合わせおよび／または組み合わせて、基準電磁放射ビーム（Ｆ０）と、前記第１の変調ビーム（Ｆｍ１）および少なくとも１つの第２の変調ビーム（Ｆｍ２）の重ね合わせからなるメインビームとの重ね合わせからなる複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を生成するステップと、
－前記生成された複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を送信するステップと、
－第１の位置に配置された第１のビーム検出器（１）によって前記複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を受信して、前記第１の位置における複合電磁放射ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）を生成するステップと、
－前記第１の位置とは異なる第２の位置に配置された第２のビーム検出器（２）によって前記複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を受信して、前記第２の位置における複合電磁放射ビームの受信電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号（Ｄ２）を生成するステップと、
－前記第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）の周波数弁別を実行して、前記第１の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）と、前記第１の位置における基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）とを得るステップと、
－前記第２の複合ビーム電気信号（Ｄ２）の周波数弁別を実行して、前記第２の位置におけるメインビームによる電界および／または磁場および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）と、前記第２の位置における基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）とを得るステップと、
－第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）の位相および第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）の位相を決定するステップと、
－第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）の位相および第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）の位相を決定するステップと、
－第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）の位相と第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）の位相との間の差に対応する第１の位相差値（ΔＰ_ａｂ）を決定するステップであって、前記第１の位相差値（ΔＰ_ａｂ）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られる値に依存している、ステップと、
－第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）の位相と第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）の位相との間の差に対応する第２の位相差値（ΔＲ）を決定するステップと、
－第１の波数ｋで割った第１の位相差値（ΔＰ_ａｂ）から第２の波数ｋ’で割った第２の位相差値（ΔＲ）を引いて、差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を得るステップと、
ここで、第１の波数（ｋ）は、メインビームに対応する波数であり、ｋ＝２π／λとして定義され、λは、メインビームの波長であり、第２の波数（ｋ’）は、前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）に対応する波数であり、ｋ’＝２π／λ’として定義され、λ’は、前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）の波長であり、
前記差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られる値の組み合わせを表し、前記第１のビーム検出器（１）と第２のビーム検出器（２）との間の位置傾斜条件とは無関係であり、受信前に送信された複合電磁放射ビームが被る外乱による位相変動とは無関係であり、
－前記決定された差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）に基づいて、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）および少なくとも１つの第２の変調ビーム（Ｆｍ２）のそれぞれで変調された情報を逆多重化および復調するステップと、
を含む、方法。

【請求項17】

軌道角運動量が多重化されている変調ビームの数は、２つ以上である、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）および少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）の振幅に従って、デジタル振幅変調され、
差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られるデジタル振幅値のそれぞれの組み合わせを表す、複数の期待値を取る、
請求項１６または１７のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

－第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）および少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）は、バイナリ方式でデジタル振幅変調され、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）の振幅は、論理値０または１を取り、
－前記方法は、第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）または第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）に対応する受信電力または強度（Ｑ３）を検出し、受信した電力または強度を最小閾値と比較するさらなるステップを含み、
－決定された差（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、第１の角運動量（Ｌ_１）に依存する第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、または第２の角運動量（Ｌ_２）に依存する第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、または第１および第２の角運動量の組み合わせに依存する第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取り、
－変調された情報を復調、逆多重化および復調するステップは、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が０に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が１に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が１に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
－受信電力または強度（Ｑ３）が前記最小閾値よりも低い場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が０に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
を含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）および少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）は、デジタル的に角運動量変調され、第１のビーム（Ｆ１）の角運動量は、第１の変調関数ａ（ｔ）に基づいて２つの異なる離散値を取り、少なくとも１つの第２のビーム（Ｆ２）の角運動量は、少なくとも１つのそれぞれの第２の変調関数ｂ（ｔ）に基づいて２つの異なる離散値を取り、
差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られるデジタル振幅値のそれぞれの組み合わせを表す、複数の期待値を取る、
請求項１６または１７のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項21】

－第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）の振幅は、論理値０または１を取り、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、
第１の変調関数ａ（ｔ）が値１を取り、第２の変調関数が値０を取る場合の第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、または、第１の変調関数ａ（ｔ）が値０を取り、第２の変調関数が値１を取る場合の第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、または、第１の変調関数ａ（ｔ）が値１を取り、第２の変調関数が値１を取る場合の第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、または、第１の変調関数ａ（ｔ）が値０を取り、第２の変調関数が値０を取る場合の第４の期待値（ΔＰ_００／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取り、
－変調された情報を復調、逆多重化および復調するステップは、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が０に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が１に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が１に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
－決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前記第４の期待値（ΔＰ_００／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビーム（Ｆｍ２）が０に対応する情報を伝送することを認識するステップと、
を含む、請求項２０に記載の方法。

【請求項22】

送受信される複合電磁放射ビーム（Ｑ１）は、光ビームおよび/またはレーザビームである、請求項１ないし２１のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項23】

受信した電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するように適合された、電磁放射ビームを送受信するためのシステムであって、前記システムは、
－第１の軌道角運動量（Ｌ_１）、第１の周波数帯域における第１のスペクトル、および第１のビーム曲率半径によって特徴付けられるメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）を生成するように構成されたメイン電磁放射ビームを生成するための手段（５）と、
－第２の軌道角運動量（Ｌ_０）、前記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域における第２のスペクトル、および前記第１のビーム曲率半径と実質的に一致する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる、基準電磁放射ビーム（Ｆ０）を生成するように構成された基準電磁放射ビームを生成するための手段（６）と、
－前記メイン電磁放射ビーム（Ｆ１）と基準電磁放射ビーム（Ｆ０）との重ね合わせからなる複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を生成するように構成された複合電磁放射ビームを生成するための手段（７）、および前記生成された複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を送信するように構成された複合電磁放射ビームを送信するための手段（１４）と、
－複合電磁放射ビームを受信するための手段と、を備え、
前記複合電磁放射ビームを受信するための手段は、
－第１の位置に配置され、前記第１の位置における複合電磁放射ビーム（Ｑ１）の電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）を生成するように構成された第１のビーム検出手段（１）と、
－前記第１の位置に対して異なる第２の位置に配置され、前記第２の位置における複合電磁放射ビーム（Ｑ１）の電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号（Ｄ２）を生成するように構成された第２のビーム検出手段（２）と、
－前記第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）の周波数弁別を実行して、前記第１の位置におけるメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）による電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）と、前記第１の位置における基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）とを得るように構成された第１の周波数弁別手段（８）と、
－前記第２の複合ビーム電気信号の周波数弁別を実行して、前記第２の位置におけるメイン電磁放射ビーム（Ｆ１）による電界および／または磁場および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）と、前記第２の位置における基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）とを得るように構成された第２の周波数弁別手段（９）と、
－前記第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）、第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）、第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）、および第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）に基づいて、メイン電磁放射ビームの軌道角運動量（Ｌ_１）および／またはメインビーム軌道角運動量（Ｌ_１）によるメイン電磁放射ビームの空間位相変動を決定するように構成された軌道角運動量を決定するための手段（１０）と、
を備える、システム。

【請求項24】

前記システムは、請求項１ないし１５のうちいずれか１項に記載の方法を実行するように構成される、請求項２３に記載のシステム。

【請求項25】

任意の既知の変調技術に従って変調信号の電気通信を実行し、軌道角運動量変数で多重化することによってグループ化するためのシステムであって、
前記システムは、
－電磁ビームを生成するための手段（５，６）を備え、
前記電磁ビームを生成するための手段（５，６）は、
－第１の軌道角運動量（Ｌ_１）によって特徴付けられる第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）を生成し、少なくとも１つのそれぞれの第２の軌道角運動量（Ｌ_２）によって特徴付けられる少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）を生成することであって、第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）および少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）の両方は、同じ第１の周波数帯域にそれぞれのスペクトルを有し、さらに、第１のビーム曲率半径値と実質的に一致するそれぞれの曲率半径を有する、ことと、
－第２の軌道角運動量（Ｌ_０）、前記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の第２のスペクトル、および前記第１のビーム曲率半径値と実質的に一致する値を有する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビーム（Ｆ０）を生成することと、
をするように構成され、
前記システムは、変調手段（５０）を備え、
前記変調手段（５０）は、
－第１の変調ビーム（Ｆｍ１）を得るために、任意の振幅および／または位相および／または周波数変調技術によって、第１の電磁放射ビーム（Ｆ１）で、第１の変調関数ａ（ｔ）によって表される、送信される第１の情報を変調することと、
－第２の変調ビーム（Ｆｍ２）を得るために、任意の振幅および／または位相および／または周波数変調技術によって、少なくとも１つの第２の電磁放射ビーム（Ｆ２）で、第２の変調関数ｂ（ｔ）によって表される、送信される少なくとも１つの第２の情報を変調することと、
をするように構成され、
前記システムは、
－前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）および第２の変調ビーム（Ｆｍ２）を重ね合わせおよび／または組み合わせて、基準電磁放射ビーム（Ｆ０）と、前記第１の変調ビーム（Ｆｍ１）および少なくとも１つの第２の変調ビーム（Ｆｍ２）の重ね合わせからなるメインビームとの重ね合わせからなる複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を生成するように構成されたビームの組み合わせおよび／または重ね合わせ手段（７）と、
－前記生成された複合電磁放射ビーム（Ｑ１）を送信するように構成された送信手段（１４）と、
－複合電磁放射ビームを受信するための手段と、を備え、
前記複合電磁放射ビームを受信するための手段は、
－第１の位置に配置され、前記第１の位置における複合電磁放射ビーム（Ｑ１）の電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）を生成するように構成された第１のビーム検出手段（１）と、
－前記第１の位置とは異なる第２の位置に配置され、前記第２の位置における複合電磁放射ビーム（Ｑ１）の電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号（Ｄ２）を生成するように構成された第２のビーム検出手段（２）と、
－前記第１の複合ビーム電気信号（Ｄ１）の周波数弁別を実行して、前記第１の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）と、前記第１の位置における基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）とを得るように構成された第１の周波数弁別手段（８）と、
－前記第２の複合ビーム電気信号の周波数弁別を実行して、前記第２の位置におけるメインビームによる電界および／または磁場および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）と、前記第２の位置における基準電磁放射ビーム（Ｆ０）による電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）とを得るように構成された第２の周波数弁別手段（９）と、を備え、
前記システムは、
－位相決定手段（２０）を備え、
前記位相決定手段（２０）は、
－第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）の位相および第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）の位相を決定することと、
－第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）の位相および第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）の位相を決定することと、
－第１のメインビーム電気信号（Ｐ１）の位相と第２のメインビーム電気信号（Ｐ２）の位相との間の差に対応する第１の位相差値（ΔＰ_ａｂ）を決定することであって、前記第１の位相差値（ΔＰ_ａｂ）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られる値に依存している、ことと、
－第１の基準ビーム電気信号（Ｒ１）の位相と第２の基準ビーム電気信号（Ｒ２）の位相との間の差に対応する第２の位相差値（ΔＲ）を決定することと、
－第１の位相差値（ΔＰ_ａｂ）から波数ｋ’で割った第２の位相差値（ΔＲ）を引いて、差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を得ることであって、前記差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られる値の組み合わせを表し、前記第１のビーム検出手段（１）と第２のビーム検出手段（２）との間の位置傾斜条件とは無関係であり、受信前に送信された複合電磁放射ビーム（Ｑ１）が被る外乱による位相変動とは無関係である、ことと、
をするように構成され、
ここで、第１の波数ｋは、メインビームに対応する波数であり、ｋ＝２π／λとして定義され、λは、第１の周波数帯域に属する前記メインビームの波長であり、第２の波数ｋ’は、基準電磁放射ビーム（Ｆ０）に対応する波数であり、ｋ’＝２π／λ’として定義され、λ’は、第２の周波数帯域に属する前記基準電磁放射ビーム（Ｆ０）の波長であり、
前記システムは、
－前記決定された差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）に基づいて、第１の変調ビーム（Ｆｍ１）および少なくとも１つの第２の変調ビーム（Ｆｍ２）のそれぞれで変調された情報を逆多重化および復調するように構成された処理手段（１５）を備える、
システム。

【請求項26】

前記システムは、請求項１６ないし２２のうちいずれか１項に記載の方法を実行するように構成される、請求項２５に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、電磁ビーム、特に、光／レーザおよびマイクロ波ビームの送受信、そのようなビームの軌道角運動量を検出する技術分野、並びに電磁ビーム、特に、光／レーザおよびマイクロ波ビーム、軌道角運動量変調および／または多重化に基づく電気通信の分野に関する。

【背景技術】

【0002】

電磁ビーム、特に、レーザおよびマイクロ波ビームの伝搬の理論は、比較的最近、軌道角運動量（軌道角運動量）の存在を示している。

【0003】

従来の観点から見た軌道角運動量は、ビーム伝搬の様々な横断モードに関連する概念である。

【0004】

これは、軌道角運動量（ＯＡＭ）波の伝搬フロントが単純に平面ではなく、らせん状の表面で表される進化を有しているという事実を示していると考えることもできる。

【0005】

言い換えると、ポインティングベクトルと波動ベクトルは、伝搬方向に単純に平行ではなく、伝搬方向に対してねじれている。

【0006】

軌道角運動量は、量子の観点から、スピンとは異なるさらなる量子数によって扱われる。

【0007】

最近、軌道角運動量が０とは異なり、異なる値をとることができるビームも実験的に実証されている。

【0008】

「軌道角運動量」変数は、上記の特徴のために、たとえ特異点から非常に離れていても、検出器が放射線ビームの限られた部分によってのみ照射される場合、検出および特徴付けが特に困難である。実際、特異点から非常に離れていても、検出器に入射したビームの限られた部分だけを利用して、局所測定によって受信された電磁ビーム、例えば、レーザの軌道角運動量を検出することを可能にする信頼できるシステムおよび方法はない。

【0009】

他方、例えば、ビームの特徴付けおよび電気通信目的のための角運動量変数の利用を含む様々な理由で、受信されたビームの軌道角運動量を検出する必要性が感じられる。

【0010】

このようなニーズは、現在、局所測定による既知の技術的解決策では満たされていない。

【0011】

出願人はまた、軌道角運動量変数を追加の自由度として利用する有望な可能性を特定し、信号の変調および信号の多重化の両方に有利に使用できる。

【0012】

しかしながら、考慮された技術分野の背景技術は、軌道角運動量の多重化および／または変調に基づく信頼できる電気通信解決策を提供していない。したがって、そのような解決策の必要性が特に感じられる。

【発明の概要】

【0013】

上記に照らして、本発明の目的は、先行技術を参照して本明細書で述べた欠点を少なくとも部分的に解消し、考慮した技術分野で特に感じられた上述のニーズを満たすことができるような、受信した電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するように適合された、電磁放射ビームを送信および受信するための方法を提供することである。

【0014】

そのような目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。

【0015】

そのような方法のさらなる実施形態は、請求項２～１５に定義されている。

【0016】

本発明はさらに、前述の方法を実行できる、電磁放射ビームを送信および受信するためのシステムに関する。そのようなシステムは、請求項２３～２４に定義されている。

【0017】

本発明はまた、任意の変調技術に従って変調され、軌道角運動量多重化によってグループ化された信号の電気通信を実行するための方法に関する。そのような方法は、請求項１６に定義されている。

【0018】

そのような方法のさらなる実施形態は、請求項１７～２２によって定義されている。

【0019】

本発明はさらに、変調信号の電気通信を実行するための前述の方法を実行することができる電気通信システムに関する。そのようなシステムは、請求項２５および２６で定義されている。

【図面の簡単な説明】

【0020】

本発明に係る前述の方法およびシステムのさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して、例示的かつ非限定的な例として与えられた好ましい実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。

【0021】

【図1】本発明による電磁放射ビームを送信および受信するためのシステムの実施形態の送信部分の簡略図を示している。このような図１は、対応する方法のいくつかのステップを同時に示している。

【図2】本発明による電磁放射ビームを送信および受信するためのシステムの実施形態の受信部分の簡略図を示している。このような図２は、対応する方法の他のいくつかのステップを同時に示している。

【図3】本発明による電気通信システムの実施形態の送信部分の簡略図を示している。このような図３は、対応する方法のいくつかのステップを同時に示している。

【図4】本発明による電気通信システムの実施形態の受信部分の簡略図を示している。このような図４は、対応する方法の他のいくつかのステップを同時に示している。

【図5】相関器を備える本発明によるシステムの実施形態を示している。

【図6】システムの図で使用されているいくつかの幾何学的量を示している。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１から図６を参照して、電磁放射ビームを送受信するための方法が説明され、受信された電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するように適合されている。

【0023】

この方法は、まず第一に、第１の軌道角運動量Ｌ_１、第１の周波数帯域の第１のスペクトル、および第１のビーム曲率半径によって特徴付けられる少なくとも１つのメイン電磁放射ビームＦ１を生成するステップと、第２の軌道角運動量Ｌ_０、前述の第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の第２のスペクトル、および前述の第１のビーム曲率半径と実質的に一致する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビームＦ０を生成するステップとを含む。

【0024】

第１の軌道角運動量Ｌ_１および第２の軌道角運動量Ｌ_０に基づく前述の特徴付けは、角運動量Ｌおよびトポロジカル電荷ｌは、以下の関係でリンクされているため、トポロジカル電荷（ｌ_１，ｌ_０）に関しても対応して説明され得ることに留意されたい。

【0025】

Ｌ＝（ｌ^＊ｈ）／２π（ここで、ｈはプランク定数）。

【0026】

したがって、この方法は、前述の少なくとも１つのメインビームＦ１と基準ビームＦ０との重ね合わせからなる複合電磁放射ビームＱ１を生成し、こうして生成された複合電磁放射ビームＱ１を送信することを含む。

【0027】

この方法は、第１の位置に配置された第１のビーム検出器１によって前述の複合電磁放射ビームＱ１を受信して、そのような第１の位置における複合ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号Ｄ１を生成するステップと、前述の複合電磁放射ビームＱ１を、前述の第１の位置に対して異なる第２の位置に配置された第２のビーム検出器２によって受信して、そのような第２の位置における複合ビームの受信した電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号Ｄ２を生成するステップと、をさらに含む。

【0028】

この方法は、第１の複合ビーム電気信号Ｄ１の周波数弁別を実行して、前記第１の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号Ｐ１、および前記第１の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号Ｒ１を得るステップと、第２の複合ビーム電気信号Ｄ２の周波数弁別を実行して、第２の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号Ｐ２、および第２の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号Ｒ２を得るステップと、をさらに含む。

【0029】

この方法は、最終的に、前述の第１のメインビーム電気信号Ｐ１、第２のメインビーム電気信号Ｐ２、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１および第２の基準ビーム電気信号Ｒ２に基づいて、メイン電磁放射ビームの軌道角運動量Ｌ_１および／またはメインビーム軌道角運動量Ｌ_１によるメイン電磁放射ビームの空間位相変動を決定することを含む。

【0030】

この方法の一実施形態によれば、決定するステップは、第１のメインビーム電気信号Ｐ１の位相と第２のメインビーム電気信号Ｐ２の位相との間の差に対応する第１の位相差値ΔＰを決定することを含む。さらに、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１の位相と第２の基準ビーム電気信号Ｒ２の位相との間の差に対応する第２の位相差値ΔＲを決定する。次に、第１の波数ｋで除算された第１の位相差値ΔＰから第２の波数ｋ’で除算された第２の位相差値ΔＲを減算して、差値（Ｑ２＝ΔＰ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を得る。これは、前述の第１の検出器と第２の検出器との間の位置傾斜条件に依存せず、ビーム伝搬に対する２つの検出器の相対位置に由来し、前記差値は、受信前に送信された複合ビームが被った外乱による位相変動とは無関係である。次に、前述の得られた差値（Ｑ２＝ΔＰ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）に基づいて、メイン電磁放射ビームの軌道角運動量を決定する。

【0031】

第１の波数ｋは、メインビームに対応する波数であり、ｋ＝２π／λとして定義され、λは、前述の第１の周波数帯域に属する前述のメインビームの波長である。第２の波数ｋ’は、基準ビームに対応する波数であり、ｋ’＝２π／λ’として定義され、λ’は、前述の第２の周波数帯域に属する前述の基準ビームの波長である。

【0032】

「位置傾斜」（または「位置チルト」）の定義は、２つの検出器を結ぶ直線と、ビーム伝搬軸に直交する平面上のその（直交）投影との間に形成される角度を示すことを意味する。

【0033】

特定の実施例によれば、メイン電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するステップは、以下の式に基づいてメイン電磁放射ビームの軌道角運動量を決定することを含む。

【数1】

ここで、θ_１は、第１の検出器を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面上で測定された第１の検出器の角度位置である。θ_２は、第２の検出器を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面上で測定された第２の検出器の角度位置である。∝は、比例を示す。

【0034】

実施オプションによれば、第１の位相差値ΔＰを決定するステップは、第１の位相比較器３によって、第１のメインビーム電気信号Ｐ１の位相を第２のメインビーム電気信号Ｐ２の位相と比較することを含む。第２の位相差値ΔＲを決定するステップは、第２の位相比較器４によって、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１の位相を第２の基準ビーム電気信号Ｒ２の位相と比較することを含む。

【0035】

他の実施オプションによれば、第１の位相差値ΔＰを決定するステップは、第１のメインビーム電気信号Ｐ１と第２のメインビーム電気信号Ｐ２との間の相関演算を実行することを含む。第２の位相差値ΔＲを決定するステップは、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１と第２の基準ビーム電気信号Ｒ２との間の相関演算を実行することを含む。

【0036】

この方法の一実施形態によれば、基準ビームの軌道角運動量は、常に知られている。

【0037】

実施オプションに従って、基準ビームの軌道角運動量は、一定値Ｌ_０＝０を取る。

【0038】

この方法の一実施形態によれば、第１の検出器１の第１の位置および第２の検出器２の第２の位置は、固定されて一定であり、ビームの特異点の位置とは異なる。

【0039】

この方法の他の実施形態によれば、第１の検出器１の第１の位置および／または第２の検出器２の第２の位置は、移動可能であり、前述の第１の位置と第２の位置との間の相互関係は、常に知られている。

【0040】

実施オプションによれば、第２の周波数帯域は、実質的に単色である。

【0041】

特定の実施オプションに従って、第２の周波数帯域は、第１の周波数帯域に隣接している。

【0042】

この方法の可能な実施形態によれば、第１または第２の複合ビーム電気信号の周波数弁別を実行するステップは、周波数フィルタリングを実行すること、またはヘテロダイン技術または他の周波数分離方法によって周波数分離を実行することを含む。

【0043】

この方法の一実施形態によれば、少なくとも１つのメイン電磁放射ビームは変調されない。

【0044】

この方法の他の実施形態によれば、少なくとも１つのメイン電磁放射ビームは、振幅変調、および／または位相変調、および／または周波数変調、および／または軌道角運動量変調される。

【0045】

この方法の一実施形態によれば、前述のすべての送信および受信電磁ビームは、光ビームおよび／またはレーザビームである。

【0046】

以下に、方法の実施の詳細な例を、関連する物理数学解析とともに示す。

【0047】

以下の説明、および図１および図２において、異なる信号が存在する点（第１の複合ビーム電気信号Ｄ１、第２の複合ビーム電気信号Ｄ２、第１のメインビーム電気信号Ｐ１、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１、第２のメインビーム電気信号Ｐ２、第２の基準ビーム電気信号）は、簡単にするために、それぞれの信号と同じ名前で示されている。

【0048】

すでに観察されたように、複合ビームＱ１は、本明細書で基準ビームＦ０として定義される角運動量Ｌ＝Ｌ_０を有するビームに重ね合わされた、本明細書でメインビームＦ１として定義される軌道角運動量Ｌ＝Ｌ_１（０以外）を有する少なくとも１つのビームによって生成される。

【0049】

メインビームは変調されていても変調されていなくてもよい。基準ビームは、メインビームの周波数帯域と重ならない周波数帯域を有している。基準ビームの周波数帯域は、好ましくは準単色であり、メインビームの周波数帯域に隣接している。基準ビームは、メインビームと実質的に同じ曲率と同じ伝搬ベクトルを有している。基準ビームは、トポロジカル電荷ｌ_０＝０を有することが好ましく、これは、軌道角運動量Ｌ_０＝０も意味する。

【0050】

軌道角運動量Ｌ_１のメインビームによって生成された空間位相差の認識は、渦の特異点を除いて、空間内の任意の位置にある２つの検出器を使用することによって得られる。

【0051】

知られているように、「渦の特異点」という表現は、電磁界が結果としてゼロに減少し、電磁界の位相を決定できない渦内の点を意味する。

【0052】

メインビームが変調されていない場合、電界Ｅ_１または第１の検出器１の関連信号（図２にＤ１として示されている）は、次の解析式で表すことができる。

【0053】

【数2】

【0054】

ここで、ｔは、時間であり、Ａ_１およびＢ_１は、非ゼロの任意の振幅であり、ｌ_１は、メインビームのトポロジカル電荷であり、ｌ_０は、基準ビームのトポロジカル電荷であり、θ_１は、第１の検出器１を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面上で測定された検出器の角度位置である。

【数3】

および

【数4】

は、位置傾斜による任意の位相である。

【数5】

および

【数6】

は、伝搬する波面の乱れによる任意の位相である。

【0055】

同様に、電界Ｅ_２または第２の検出器２上の関連信号（図２にＤ２として示されている）は、以下の解析式によって表し得る。

【0056】

【数7】

【0057】

ここで、ｔは、時間であり、Ａ_２およびＢ_２は、非ゼロの任意の振幅であり、ｌ_１は、メインビームのトポロジカル電荷であり、ｌ_０は、基準ビームのトポロジカル電荷であり、θ_２は、検出器２を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面上で測定された検出器２の角度位置である。

【数8】

および

【数9】

は、位置傾斜による任意の位相である。

【数10】

および

【数11】

は、伝搬する波面の乱れによる任意の位相である。

【0058】

上で定義された幾何学的量のさらなる説明として、図６は、破線によって、すでに前に説明された複合ビーム生成システムによって生成された複合ビームＱ１の伝搬軸ｚを示している（基準３０を参照して図６に示されている）。図６はまた、伝搬軸ｚに直交するｘｙ平面、それぞれ２つの検出器１および２の位置ベクトル

【数12】

および

【数13】

、それぞれ２つの検出器θ１およびθ２の前述の角度位置も示している。

【0059】

場または関連信号は、それ自体が知られている様々な可能な技術によって周波数が分離され、Ｒ１およびＲ２において、場または関連信号が基準ビームの周波数帯域のみに存在し、Ｐ１およびＰ２において場または関連信号がメインビームの周波数帯域のみに存在するようになっている。

【0060】

したがって、次の解析式が得られ得る。

【0061】

【数14】

【0062】

第２の位相比較器４は、場およびＲ１とＲ２との間の関連信号の位相差に比例する量を提供する。

【0063】

【数15】

【0064】

第１の位相比較器３は、場およびＰ１とＰ２との間の関連信号の位相差に比例する量を提供する。

【0065】

【数16】

【0066】

メインビームは、基準ビームの曲率に実質的に等しい曲率と、基準ビームの伝搬方向と実質的に一致する伝搬方向を有するので、傾斜（チルト）に関連する位相差は、優れた近似で次のようになる。

【0067】

【数17】

【0068】

伝搬による歪み現象は、メインビームと基準ビーム（複合ビームでの伝送時に重ね合わされる）で非常に類似しているため、歪みに関連する位相差は、優れた近似で次のようになる。

【0069】

【数18】

【0070】

さらに、２つの位相比較器の比例定数は、それらが一致するように選択され得る。

【0071】

上記に基づいて、信号Ｑ２は、次の差に比例する量を提供することになる。

【0072】

【数19】

【0073】

このような量は、必要に応じて、位置傾斜や伝搬による外乱とは無関係である。

【0074】

Ｑ２の値（すなわち、ΔＰ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が測定されると、θ_１、θ_２、ｋ、ｋ’であり、ｌ_０の値（最初に設定され得る基準ビームのトポロジカル電荷）は、既知である。メインビームのトポロジカル電荷値ｌ_１は、前述の式から簡単に取得される。したがって、メインビームの軌道角運動量Ｌ_１も、次の点に留意されたい。

【0075】

Ｌ＝（ｌ^＊ｈ）／２π

【0076】

メインビームが位相変調されている場合、ポイントＲ１、Ｒ２、Ｐ１、Ｐ２の方程式は次のようになる。

【0077】

【数20】

【0078】

ここで、δ（ｔ）は、第１検出器と第２検出器で等しく検出された位相変調による時間変化する位相項である。位相項δ（ｔ）は、第２の位相比較器２の出力で補償するため、次のことも得られる。

【0079】

【数21】

【0080】

メインビームが周波数変調されている場合、ポイントＲ１、Ｒ２、Ｐ１、Ｐ２の方程式は次のようになる。

【0081】

【数22】

【数23】

【数24】

【数25】

【0082】

ここで、ｍ（τ）は、時間の経過に伴う変調信号であり、ｋ_ｆは、定数である。項

【数26】

は、第２の位相比較器の出力で補償するため、次のことが得られる。

【0083】

【数27】

【0084】

ここで、本発明にも含まれる、任意の既知の変調技術に従って変調され、軌道角運動量可変多重化によってグループ化された信号の電気通信を実行するための方法について説明する。

【0085】

このような方法は、第１の軌道角運動量Ｌ_１によって特徴付けられる第１の電磁放射ビームＦ１を生成するステップと、少なくとも１つのそれぞれの第２の軌道角運動量Ｌ_２によって特徴付けられる少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２を生成するステップと、を含む。第１の電磁放射ビームＦ１および少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２の両方は、同じ第１の周波数帯域にそれぞれのスペクトルを有し、さらに、第１のビーム曲率半径値と実質的に一致するそれぞれの曲率半径を有する。

【0086】

次に、この方法は、第１の変調ビームＦｍ１を得るために、第１の変調関数ａ（ｔ）によって表される送信すべき第１の情報を、任意の変調技術によって、第１の電磁放射ビームＦ１上で変調し、さらに、第２の変調ビームＦｍ２を得るために、任意の変調技術によって、第２の変調関数ｂ（ｔ）によって表される送信すべき少なくとも１つの第２の情報を、少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２上で変調することを含む。次に、第２の軌道角運動量Ｌ_０と、前述の第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域における第２のスペクトルと、前述の第１のビーム曲率半径の値と実質的に一致する値を有する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビームＦ０を生成することを含む。

【0087】

次に、この方法は、前述の基準ビームＦ０、第１の変調ビームＦｍ１および第２の変調ビームＦｍ２を重ね合わせおよび／または組み合わせて、基準ビームＦ０と、前述の第１の変調ビームＦｍ１および少なくとも１つの第２の変調ビームＦｍ２との重ね合わせからなるメインビームとの重ね合わせからなる複合電磁放射ビームＱ１を生成するステップを含む。

【0088】

次に、この方法は、生成された複合電磁放射ビームＱ１を送信するステップを含む。

【0089】

次に、この方法は、第１の位置に配置された第１のビーム検出器１によって前述の複合電磁放射ビームを受信して、前述の第１の位置における複合ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号Ｄ１を生成することを含む。前述の複合電磁放射ビームを、第１の位置に対して異なる第２の位置に配置された第２のビーム検出器２によって受信して、前記第２の位置における複合ビームの受信した電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号Ｄ２を生成することを含む。

【0090】

この方法は、第１の複合ビーム電気信号Ｄ１の周波数弁別を実行して、第１の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号Ｐ１と、第１の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号Ｒ１とを得るステップと、第２の複合ビーム電気信号Ｄ２の周波数弁別を実行して、第２の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号Ｐ２と、第２の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号Ｒ２と、を得るステップをさらに含む。

【0091】

この方法はさらに、第１のメインビーム電気信号Ｐ１の位相および第２のメインビーム電気信号Ｐ２の位相を決定することと、さらに、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１の位相および第２の基準ビーム電気信号Ｒ２の位相を決定することと、を含む。次に、第１のメインビーム電気信号Ｐ１の位相と第２のメインビーム電気信号Ｐ２の位相との間の差に対応する第１の位相差値ΔＰ_ａｂを決定し、この際、そのような第１の位相差値ΔＰ_ａｂは、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られる値に依存し、さらに、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１の位相と第２の基準ビーム電気信号Ｒ２の位相との間の差に対応する第２の位相差値ΔＲを決定することを含む。

【0092】

次に、この方法は、第１の波数ｋで除算された第１の位相差値ΔＰ_ａｂから第２の波数ｋ’で除算された第２の位相差値ΔＲを減算して、差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を得るステップを含む。第１の波数ｋは、メインビームに対応する波数であり、ｋ＝２π／λとして定義され、λは、前述の第１の周波数帯域に属する前述のメインビームの波長である。第２の波数ｋ’は、基準ビームに対応する波数であり、ｋ’＝２π／λ’として定義され、λ’は、前述の第２の周波数帯域に属する前述の基準ビームの波長である。

【0093】

前述の差値Ｑ２は、第１の検出器１と第２の検出器２との間の位置傾斜条件とは無関係であり、また、受信前に送信された複合ビームが被る外乱による位相変動とは無関係であるが、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られる値の組み合わせを表す。

【0094】

この方法は、最終的に、前述の決定された差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）に基づいて、第１の変調ビームＦｍ１および少なくとも１つの第２の変調ビームＦｍ２のそれぞれで変調された情報を逆多重化および復調することを含む。

【0095】

そのような方法の一実施形態によれば、軌道角運動量多重化される変調されたビームの数は、２より多い。

【0096】

そのような方法の一実施形態によれば、第１の電磁放射ビームＦ１および少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２は、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）の振幅に従って、デジタル的に振幅変調される。

【0097】

この場合、差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）は、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られるデジタル振幅値のそれぞれの組み合わせを代表する、複数の期待値を取り得る。

【0098】

実施オプションに従って、第１の電磁放射ビームＦ１および少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２は、バイナリ方式でデジタル振幅変調され、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも第２の変調関数ｂ（ｔ）の振幅は、論理値０または１を取り得る。

【0099】

この場合、この方法は、第１のメインビーム電気信号Ｐ１または第２のメインビーム電気信号Ｐ２に対応する受信電力または強度Ｑ３を（検出器１６によって）検出し、受信した電力または強度を最小閾値と比較するさらなるステップを含む。

【0100】

決定された差（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）は、第１の角運動量（Ｌ_１）に依存する第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取り得、または、第２の角運動量（Ｌ_２）に依存する第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、または、第１の角運動量と第２の角運動量の組み合わせに依存する第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取り得る。

【0101】

変調された情報を復調、逆多重化、および復調するステップは、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前述の第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が０に対応する情報を伝送することを認識することと、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前述の第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が１に対応する情報を伝送することを認識することと、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）が前述の第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が１に対応する情報を伝送することを認識することと、受信電力または強度Ｑ３が前述の最小閾値よりも低い場合、第１の変調ビームＦｍ１が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が０に対応する情報を伝送することを認識することと、を含む。

【0102】

そのような方法の他の実施形態によれば、第１の電磁放射ビームＦ１および少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２は、角運動量に基づいてデジタル変調される。この場合、第１のビームＦ１の角運動量は、第１の変調関数ａ（ｔ）に基づいて２つの異なる離散値を取り得、少なくとも１つの第２のビームＦ２の角運動量は、それぞれの少なくとも第２の変調関数ｂ（ｔ）基づいて２つの異なる離散値を取り得る。

【0103】

差値（Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、複数の期待値をとり得、それぞれが、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）によって取られるデジタル振幅値のそれぞれの組み合わせを表す。

【0104】

実施オプションに従って、第１の変調関数ａ（ｔ）および少なくとも１つの第２の変調関数ｂ（ｔ）の振幅は、論理値０または１を取り得る。

【0105】

決定された差（ΔＰ_ａｂ／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）は、第１の変調関数（ｔ）が値１を取り、第２の変調関数が値０を取る場合、第１の期待値（ΔＰ_１０／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）、または第１の変調関数（ｔ）が値０を取り、第２の変調関数が値１を取る場合、第２の期待値（ΔＰ_０１／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）、または第１の変調関数ａ（ｔ）が値１を取り、第２の変調関数が値１を取る場合、第３の期待値（ΔＰ_１１／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）、または第１の変調関数（ｔ）が値０を取り、第２の変調関数が値０を取る場合、第４の期待値（ΔＰ_００／Ｋ－ΔＲ／Ｋ’）を取り得る。

【0106】

この場合、変調された情報を復調、逆多重化および復調するステップは、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／Ｋ’）が第１の期待値（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／Ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が０に対応する情報を伝送することを認識することと、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／Ｋ’）が第２の期待値（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が１に対応する情報を伝送することを認識することと、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／Ｋ’）が第３の期待値（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が１に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が１に対応する情報を伝送することを認識することと、決定された差（ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／Ｋ’）が第４の期待値（ΔＰ_００／ｋ－ΔＲ／ｋ’）を取る場合に、第１の変調ビームＦｍ１が０に対応する情報を伝送し、第２の変調ビームＦｍ２が０に対応する情報を伝送することを認識することと、を含む。

【0107】

そのような方法の実施形態によれば、上記の送信および受信された電磁ビームは、光ビームおよび／またはレーザビームである。

【0108】

以下に、上記の電気通信方法の詳細な実施例を、関連する物理数学的解析とともに示す。

【0109】

以下の説明および図３から図５において、異なる信号が存在する点（第１の複合ビーム電気信号Ｄ１、第２の複合ビーム電気信号Ｄ２、第１のメインビーム電気信号Ｐ１、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１、第２のメインビーム電気信号Ｐ２ｆ、第２の基準ビーム電気信号Ｒ２）は、簡単にするために、それぞれの信号と同じ名前で示されている。

【0110】

図３に示されるように、角運動量Ｌ_１の第１のビーム（ここでは第１のメインビームＦ１として定義される）と、角運動量Ｌ_２の第２のビーム（ここでは第２のメインビームＦ２として定義される）は、角運動量Ｌ_０の基準ビームに重畳される。２つのメインビームは、一致および／または重なる周波数帯域を有し、（本明細書に詳述される例では）デジタル振幅変調される。さらに、２つのメインビームは、実質的に一致する曲率を有する。

【0111】

電気信号Ｄ１での電界は、次の解析式で表し得る。

【0112】

【数28】

【0113】

ここで、ｔは、時間であり、Ａ_１（ｔ）およびＣ_１（ｔ）は時間の経過とともに変化するメインビームの振幅であり、Ｂ_１は、基準ビームの非ゼロの任意の振幅であり、ｌ_１は、第１のメインビームのトポロジカル電荷であり、ｌ_２は、第２のメインビームのトポロジカル電荷であり、ｌ_０は、基準ビームのトポロジカル電荷であり、θ_１は、第１の検出器１を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面上で測定された第１の検出器の角度位置である。

【数29】

、

【数30】

および

【数31】

は、位置傾斜による任意の位相である。

【数32】

、

【数33】

および

【数34】

は、伝搬する波面の乱れによる任意の位相である。

【0114】

電気信号Ｄ２での電界は、次の解析式で表すことができる。

【0115】

【数35】

【0116】

ここで、ｔは、時間であり、Ａ_２（ｔ）およびＣ_２（ｔ）は時間の経過とともに変化するメインビームの振幅であり、Ｂ_２は、基準ビームの非ゼロの任意の振幅であり、ｌ_１は、第１のメインビームのトポロジカル電荷であり、ｌ_２は、第２のメインビームのトポロジカル電荷であり、ｌ_０は、基準ビームのトポロジカル電荷であり、θ_２は、第２の検出器２を含む複合ビーム伝搬ベクトルに直交する平面上で測定された第２の検出器の角度位置である。

【数36】

、

【数37】

および

【数38】

は、位置傾斜による任意の位相である。

【数39】

、

【数40】

および

【数41】

は、伝搬する波面の乱れによる任意の位相である。

【0117】

上ですでに観察したように、信号Ｄ１とＤ２は２つの検出器によって測定され、基準ビームは、メインビームから周波数で識別され、Ｒ１、Ｒ２、Ｐ１、Ｐ２の信号は、次の式を使用して取得される。

【0118】

【数42】

【0119】

Ｒ１とＲ２には基準ビームのみがあり、Ｐ１とＰ２には重ね合わせたメインビームがある。

【0120】

第２の位相比較器４は、次の位相差に比例する量を提供する。

【0121】

【数43】

【0122】

デジタル変調では、振幅は、Ａ_１＝Ａ_１ｍａｘａ（ｔ）、Ａ_２＝Ａ_２ｍａｘａ（ｔ）、Ｃ_１＝Ｃ_１ｍａｘｂ（ｔ）、Ｃ_２＝Ｃ_２ｍａｘｂ（ｔ）と書き得る。ここで、関数ａ（ｔ）とｂ（ｔ）は、それぞれ第１と第２の変調器でデジタル変調された情報に応じて値０または１を取る。

【0123】

Ａ_１ｍａｘ、Ｃ_１ｍａｘは、第１の検出器によって受信されたメインビーム（それぞれ第１と第２）を表す場または信号の最大振幅である。Ａ_２ｍａｘ、Ｃ_２ｍａｘは、第２の検出器によって受信されたメインビーム（それぞれ第１と第２）を表す場または信号の最大振幅である。送信機では、メインビームの振幅を次のように等しくなるように設定できる。

【0124】

Ａ_１ｍａｘ＝Ｃ_１ｍａｘ，Ａ_２ｍａｘ＝Ｃ_２ｍａｘ

【0125】

第１の位相比較器３は、変調関数ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）のデジタル符号化に依存する、Ｐ１およびＰ２の場または信号間の位相差に比例する量を提供する。

【0126】

これで、考えられるすべての組み合わせが検討される。

【0127】

ａ（ｔ）＝０およびｂ（ｔ）＝０の場合、メインビームの振幅は、互いに打ち消し合うため、位相差は決定できない。

【0128】

ａ（ｔ）＝１およびｂ（ｔ）＝０の場合、角運動量Ｌ_１の第１のメインビームのみが存在するため、単一のメインビームの場合にすでに説明したのと同様の関係が適用される。

【0129】

【数44】

【0130】

ａ（ｔ）＝０およびｂ（ｔ）＝１の場合、角運動量Ｌ_２の第２のメインビームのみが存在するため、単一のメインビームの場合にすでに説明したのと同様の関係が適用される。

【0131】

【数45】

【0132】

ａ（ｔ）＝１およびｂ（ｔ）＝１の場合、両方のメインビームが存在するため、次の関係が成り立つ。

【0133】

【数46】

【0134】

上記の関係に基づいて、単一のメインビームの場合にすでに説明したのと同様に、伝搬に関連する位置傾斜と波面の歪みによる位相の恣意性を排除するために、変調信号のすべての可能な組み合わせを計算することが可能である。

【0135】

したがって、結論として、以下の関係が得られる。

【0136】

ａ（ｔ）＝０およびｂ（ｔ）＝０の場合、メインビームの振幅は互いに打ち消し合うため、位相差は決定できない。

【0137】

ａ（ｔ）＝１およびｂ（ｔ）＝０の場合、次のようになる。

【0138】

【数47】

【0139】

ａ（ｔ）＝０およびｂ（ｔ）＝１の場合、次のようになる。

【0140】

【数48】

【0141】

ａ（ｔ）＝１およびｂ（ｔ）＝１の場合、メインビームも実質的に一致する曲率を有していることを考慮すると、次のようになる。

【0142】

【数49】

【0143】

前述の量（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は簡単に区別し得る。すなわち、基準ビームおよび２つのメインビームのトポロジカル電荷ｌ_０、ｌ_１、ｌ_２（すなわち、それぞれの軌道角運動量）を適切に選択することによって、３つの異なる事前定義された既知の値に設定される。したがって、受信時に測定されるそのような量は認識可能であり、２つのメインビームのそれぞれに適用される変調値０または１を示す。したがって、そこに符号化された情報は、復号、すなわち、復調および認識され得る。

【0144】

さらに、有利には、そのような量は、位置傾斜による位相差とは無関係になり、（すでに上で気づいたように）基準ビームの存在によってキャンセルされ得る伝搬波面の歪みとは無関係になる。

【0145】

トポロジカル電荷の値の選択の可能な例は次の通りである。

【0146】

ｌ_０＝０、ｌ_１＝０、ｌ_２＝２

【0147】

他の組み合わせは、明らかに検出可能である。

【0148】

ステータスａ（ｔ）＝０、ｂ（ｔ）＝０は、まだ認識されておらず、その位相は、未定である（上記のとおり）。これは、両方のメインビームで受信された場または信号の振幅がキャンセルされる唯一の組み合わせであるため、このステータスは、簡単に識別できる。したがって、ステータスａ（ｔ）＝０、ｂ（ｔ）＝０は、点Ｑ３で（図４に示される検出器１６によって）検出された信号の強度またはパワーが所定の閾値を下回るときに決定論的に識別される。あるいは、両方の信号がそれぞれの事前定義された閾値を下回っている状況を認識するために、第１の複合ビーム電気信号Ｄ１および第２の複合ビーム電気信号Ｄ２の両方を監視し得る。

【0149】

以下に、軌道角運動量変調に基づいて、関連する物理数学解析とともに、上記の電気通信方法の詳細な実施例を示す。

【0150】

角運動量変調は、デジタル振幅変調の場合にすでに開発されているものと同様の引数を使用して説明され得る。

【0151】

変調関数ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）は、それぞれ第１と第２の変調器でデジタル変調された情報に応じて値０または１を取る。そのような変調関数は、取られたバイナリ値に応じて、それぞれ、第１の電磁放射ビームおよび少なくとも１つの第２の電磁放射ビームの角運動量の離散的変化を決定する。すなわち、Ｌ_１およびＬ_２は、ａ（ｔ）とｂ（ｔ）が取る値に依存する関数である。

【0152】

Ｌ_１＝Ｌ_１（ａ（ｔ））、Ｌ_２＝Ｌ_２（ｂ（ｔ））
すなわち、トポロジカル電荷を同等に参照する：ｌ_１＝ｌ_１（ａ（ｔ））、ｌ_２＝ｌ_２（ｂ（ｔ））。

【0153】

その結果、Ｒ１、Ｒ２、Ｐ１、Ｐ２に存在する信号は次のように表される。

【0154】

【数50】

【0155】

Ｒ１とＲ２には、基準ビームのみがある。Ｐ１とＰ２には、重ね合わされたメインビームがある。

【0156】

第２の位相比較器４は、（一般的な場合のように）位相差に比例する量を提供する。

【0157】

【数51】

【0158】

第１の位相比較器３は、変調関数ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）のデジタル符号化に依存する、Ｐ１およびＰ２の場または信号間の位相差に比例する量を提供する。

【0159】

考えられるすべての組み合わせを考慮すると、次のようになる。

【0160】

【数52】

【0161】

ここで、組み合わせは、インデックスａ、ｂおよび関数ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）によって取得される対応する値によって決定される。

【0162】

次に、位置傾斜と伝搬に関連する波面の歪みによる位相の恣意性を排除するために、変調信号のすべての可能な組み合わせについて、差ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’が次の式によって計算される。

【0163】

【数53】

【0164】

トポロジカル電荷値ｌ_０、ｌ_１（０）、ｌ_１（１）、ｌ_２（０）、ｌ_２（１）、またはそれぞれの対応する軌道角運動量は、対応する量（ΔＰ_００／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、（ΔＰ_０１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、（ΔＰ_１０／ｋ－ΔＲ／ｋ’）、（ΔＰ_１１／ｋ－ΔＲ／ｋ’）は、互いに異なり、したがって認識可能であり、符号化された（変調された）情報を復号（復調）することを可能にするように選択され得る。

【0165】

さらに、前述の量は、伝搬する波面の位置傾斜および歪みによる位相差とは無関係であり、これは、基準ビームの存在によって排除され得る。

【0166】

トポロジカル電荷値の選択の例は、ｌ_０＝０、ｌ_１（０）＝０、ｌ_１（１）＝１、ｌ_２（０）＝０、ｌ_２（１）＝２であり、次のようになる。

【0167】

【数54】

【0168】

このように、前述の４つの量は異なるため、認識され得る。

【0169】

上記の例と同様に、他の値の割り当ても明らかに可能である。

【0170】

角運動量変調は、多くの点で振幅変調に類似しており、図３および図４に示されるブロック図は、角運動量変調にも適用されるが、唯一の明らかな違いは、変調器は、振幅ではなく角運動量を変調するとういことに留意すべきである。さらに、この場合、図４および図５の閾値検出器は、必要ない。

【0171】

図１および図２を参照して、電磁放射ビームを送信および受信するためのシステムがここで説明され、受信された電磁放射ビームの軌道角運動量を決定するように適合されている。

【0172】

このようなシステムは、メイン電磁放射ビームＦ１を生成するための手段５、基準電磁放射ビームＦ０を生成するための手段６、複合電磁放射ビームＱ１（図１に示される）を生成（７）および送信（１４）するための手段、複合電磁放射ビームを受信するための手段、第１のビーム検出手段１、第２のビーム検出手段２、第１の周波数弁別手段８、第２の周波数弁別手段９、および軌道角運動量を決定するための手段１０（図２に示される）を備える。

【0173】

メイン電磁放射のビームを生成するための手段５は、第１の軌道角運動量Ｌ_１、第１の周波数帯域における第１のスペクトル、および第１のビーム曲率半径によって特徴付けられるメイン電磁放射ビームＦ１を生成するように構成される。

【0174】

基準電磁放射ビームを生成するための手段６は、第２の軌道角運動量Ｌ_０、前記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の第２のスペクトル、および前記第１のビーム曲率半径と実質的に一致する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビームＦ０を生成するように構成される。

【0175】

複合電磁放射ビームを生成し（７）、送信する（１４）ための手段は、前述のメインビームＦ１と基準ビームＦ０の重ね合わせからなる複合電磁放射ビームＱ１を生成し、そのような生成された複合電磁放射ビームＱ１を送信するように構成される。

【0176】

複合電磁放射ビームを受信するための手段は、第１の位置に配置され、第１の位置における複合ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第１の複合ビーム電気信号Ｄ１を生成するように構成された第１のビーム検出手段１と、前述の第１の位置に関して異なる第２の位置に配置され、第２の位置における複合ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号Ｄ２を生成するように構成された第２のビーム検出手段２と、を備える。

【0177】

第１の周波数弁別手段８は、第１の複合ビーム電気信号Ｄ１の周波数弁別を実行して、第１の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号Ｐ１と、第１の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号Ｒ１と、を取得するように構成される。

【0178】

第２の周波数弁別手段９は、第２の複合ビーム電気信号の周波数弁別を実行して、第２の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号Ｐ２と、第２の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号Ｒ２と、を取得するように構成される。

【0179】

軌道角運動量を決定するための手段１０は、前述のメインビーム第１の電気信号Ｐ１、第２のメインビーム電気信号Ｐ２、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１および第２の基準ビーム電気信号Ｒ２に基づいて、メイン電磁放射ビームの軌道角運動量Ｌ_１および／またはメインビーム軌道角運動量Ｌ_１に起因するメイン電磁放射ビームの空間位相変動を決定するように構成される。

【0180】

異なる実施オプションに従って、システムは、上記の実施形態のいずれかによる電磁放射ビームを送信および受信するための方法を実行するように構成される。

【0181】

システムの実施形態によれば、メイン電磁放射ビームを生成するための手段５および基準電磁放射ビームを生成するための手段６は、それ自体が知られている電磁ビームの１つまたは複数のソースまたは送信機を備える（例えば、実施オプションでは、レーザ）。

【0182】

実施オプションによれば、メイン電磁放射ビームを生成するための手段５は、振幅および／または周波数および／または位相変調器５０および／または１つまたは複数の角運動量変調器５０をさらに備える（そのような角運動量変調器５０は、例えば、空間光変調器であり得る）。

【0183】

システムの実施形態によれば、複合電磁放射ビームを生成するための手段７は、それ自体が知られている２つ以上の入力および出力を備えた電磁ビームコンバイナ（例えば、ビームコンバイナ）を備える。

【0184】

システムの実施形態によれば、第１のビーム検出手段１は、１つまたは複数のダイアフラム（光学開口部）、またはアンテナまたはアンテナのグループ、またはそれ自体が知られている、第１および第２のビームの周波数で動作するように適合された任意の他の電磁ビーム受信機を備える。電磁ビーム１４を送信するための手段は、例えば、１つまたは複数の送信アンテナを備える。

【0185】

システムの実施形態によれば、第２のビーム検出手段２は、１つまたは複数のダイアフラム（光学開口部）、またはアンテナまたはアンテナのグループ、またはそれ自体が知られている、第１および第２のビームの周波数で動作するように適合された任意の他の電磁ビーム受信機を備える。

【0186】

異なる実施形態によれば、第１の周波数弁別手段８および第２の周波数弁別手段９は、それ自体が知られている周波数フィルタを備え得る。

【0187】

システムの実施形態によれば、軌道角運動量を決定するための手段１０は、位相比較器からの出力信号に基づいて、処理によって（例えば、前に示された式に従って）軌道角運動量を導出するように構成された少なくとも２つの位相比較器３、４および少なくとも１つのプロセッサ１５を備える。

【0188】

システムの実施形態によれば、軌道角運動量を決定するための手段１０は、相関器からの出力信号に基づいて、処理によって（例えば、前に示された式に従って）軌道角運動量を導出するように構成された少なくとも２つの相関器１１、１２および少なくとも１つのプロセッサ１５を備える。

【0189】

相関器の使用を含む実施オプションに関して、図５を参照して、本明細書にさらなる詳細が提供される。

【0190】

この場合、位相差ΔＰまたはΔＲに比例する値を提供する位相比較器を使用する代わりに、位相差ｃｏｓ（ΔＰ）またはｃｏｓ（ΔＲ）の余弦に比例する値を提供する相関器が使用される。次に、位相差は、次の逆関数によって決定される。

【0191】

ΔＰ＝ａｒｃｃｏｓ［ｃｏｓ（ΔＰ）］

【0192】

ΔＲ＝ａｒｃｃｏｓ［ｃｏｓ（ΔＲ）］

【0193】

相関は、Ｐ１とＰ２、またはＲ１とＲ２を表す場または信号の直接積によって決定され得る。

【0194】

あるいは、相関は、干渉によって、それぞれ強度Ｉ_Ｐ１およびＩ_Ｐ２を有するＰ１およびＰ２、またはそれぞれ強度Ｉ_Ｒ１およびＩ_Ｒ２を有するＲ１およびＲ２での場間の干渉の平均強度＜Ｉ＞を測定することによって、以下のことを承知の上で決定され得る。

【0195】

ｃｏｓ（ΔＰ）＝（＜Ｉ＞－Ｉ_Ｐ１－Ｉ_Ｐ２）／（２（Ｉ_Ｐ１Ｉ_Ｐ２）^１／２）

【0196】

ｃｏｓ（ΔＲ）＝（＜Ｉ＞－Ｉ_Ｒ１－Ｉ_Ｒ２）／（２（Ｉ_Ｒ１Ｉ_Ｒ２）^１／２）

【0197】

前述のシステムの実施形態によれば、上記の送信および受信された電磁ビームは、光ビームおよび／またはレーザビームである。

【0198】

図３および図４を参照して、任意の既知の変調技術に従って変調信号の電気通信を実行し、軌道角運動量変数で多重化することによってグループ化するためのシステムについて説明する。

【0199】

このようなシステムは、電磁ビームを生成するための手段５、６、変調手段５０、ビームの組み合わせおよび／または重ね合わせ手段７、送信手段１４、ビーム受信手段１、２、８、９、位相決定手段２０および処理手段１５を備える。

【0200】

電磁ビームを生成するための手段５、６は、第１の軌道角運動量Ｌ_１によって特徴付けられる第１の電磁放射を生成し、少なくとも１つのそれぞれの第２の軌道角運動量Ｌ_２によって特徴付けられる少なくとも１つの第２の電磁放射のビームＦ２を生成するように構成される。

【0201】

第１の電磁放射ビームＦ１および少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２の両方は、同じ第１の周波数帯域にそれぞれのスペクトルを有し、さらに、第１のビームの曲率半径値と実質的に一致するそれぞれの曲率半径を有する。

【0202】

電磁ビームを生成するための手段５、６は、第２の軌道角運動量Ｌ_０、前述の第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の第２のスペクトル、および前述の第１のビーム曲率半径値と実質的に一致する値を有する第２のビーム曲率半径によって特徴付けられる基準電磁放射ビームＦ０を生成するようにさらに構成される。

【0203】

変調手段５０は、任意の振幅および／または位相および／または周波数変調技術によって、第１の変調関数ａ（ｔ）によって表される送信すべき第１の情報を第１の電磁放射ビームＦ１上で変調して、第１の変調ビームＦｍ１を得、任意の振幅および／または位相および／または周波数変調技術によって、第２の変調関数ｂ（ｔ）によって表される送信すべき少なくとも１つの第２の情報を少なくとも１つの第２の電磁放射ビームＦ２上で変調して、第２の変調ビームＦｍ２を得るように構成される。

【0204】

ビームの組み合わせおよび／または重ね合わせ手段７は、前述の基準ビームＦ０、第１の変調ビームＦｍ１および第２の変調ビームＦｍ２を重ね合わせおよび／または組み合わせて、基準ビームと、前述の第１の変調ビームＦｍ１および少なくとも１つの第２の変調ビームＦｍ２との重ね合わせからなるメインビームとの重ね合わせからなる複合電磁放射ビームＱ１を生成するように構成される。

【0205】

送信手段１４は、前述の生成された複合電磁放射ビームを送信するように構成される。

【0206】

複合電磁放射ビームを受信するための手段は、第１のビーム検出手段１、第２のビーム検出手段２、第１の周波数弁別手段８、第２の周波数弁別手段９を備える。

【0207】

第１のビーム検出手段１は、第１の位置に配置され、第１の位置における電界および／または磁界および／または複合ビームの電磁放射の強度を表す第１の複合ビーム電気信号Ｄ１を生成するように構成される。

【0208】

第２のビーム検出手段２は、第１の位置に関して異なる第２の位置に配置され、第２の位置における複合ビームの電磁放射の電界および／または磁界および／または強度を表す第２の複合ビーム電気信号Ｄ２を生成するように構成される。

【0209】

第１の周波数弁別手段８は、第１の複合ビーム電気信号Ｄ１の周波数弁別を実行して、第１の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１のメインビーム電気信号Ｐ１を取得し、第１の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第１の基準ビーム電気信号Ｒ１を取得するように構成される。

【0210】

第２の周波数弁別手段９は、第２の複合ビーム電気信号の周波数弁別を実行して、第２の位置におけるメインビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２のメインビーム電気信号Ｐ２を取得し、第２の位置における基準ビームによる電界および／または磁界および／または強度を表す第２の基準ビーム電気信号Ｒ２を取得するように構成される。

【0211】

位相決定手段２０は、第１のメインビーム電気信号Ｐ１の位相および第２のメインビーム電気信号Ｐ２の位相を決定し、また第１の基準ビーム電気信号Ｒ１の位相および第２の基準ビーム電気信号Ｒ２の位相を決定するように構成される。

【0212】

位相決定手段２０は、第１のメインビーム電気信号Ｐ１の位相と第２のメインビーム電気信号Ｐ２の位相との間の差に対応する第１の位相差値ΔＰ_ａｂを決定するようにさらに構成されており、その際、そのような第１の位相差値ΔＰ_ａｂは、第１の変調関数ａ（ｔ）および第２の変調関数ｂ（ｔ）が取る値に依存する。さらに、第１の基準ビーム電気信号Ｒ１の位相と第２の基準ビーム電気信号Ｒ２の位相との間の差に対応する第２の位相差値ΔＲを決定し、さらに、波数ｋで割った第１の位相差値ΔＰ_ａｂから、波数ｋ’で割った第２の位相差値ΔＲを減算して、差値Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／Ｋ－ΔＲ／ｋ’を得る。第１の波数ｋは、メインビームに対応する波数であり、ｋ＝２π／λとして定義され、λは、前述の第１の周波数帯域に属する前述のメインビームの波長である。第２の波数ｋ’は、基準ビームに対応する波数であり、ｋ’＝２π／λ’として定義され、λ’は、前述の第２の周波数帯域に属する前述の基準ビームの波長である。

【0213】

上記差値Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／Ｋ－ΔＲ／ｋ’は、第１の変調関数ａ（ｔ）と第２の変調関数ｂ（ｔ）が取る値の組み合わせを表し、第１の検出器１と第２の検出器２との間の位置傾斜状態とは無関係であり、受信前に送信された複合ビームが受ける外乱による位相変動とも無関係である。

【0214】

処理手段１５は、前述の決定された差値Ｑ２＝ΔＰ_ａｂ／ｋ－ΔＲ／ｋ’に基づいて、第１の変調ビームＦｍ１および少なくとも１つの第２の変調ビームＦｍ２のそれぞれの変調情報を逆多重化および復調するように構成される。

【0215】

異なる実施形態によれば、システムは、上記の実施形態のいずれかによる電磁放射ビーム電気通信方法を実行するように構成される。

【0216】

システムの実施形態によれば、電磁ビームを生成するための手段５、６は、それ自体が知られている電磁ビームの１つまたは複数のソースまたは送信機（例えば、実施オプションでは、レーザ）を備える。

【0217】

システムの実施形態によれば、変調手段５０は、それ自体が知られている振幅および／または周波数および／または位相および／または角運動量変調器を備える。

【0218】

システムの実施形態によれば、第１および第２のビーム検出手段１、２は、１つまたは複数のダイアフラム（光学開口部）、またはアンテナまたはアンテナのグループ、またはそれ自体が知られている、それぞれ第１および第２のビームの周波数で動作するように適合された任意の他の電磁ビーム受信機を備える。

【0219】

システムの実施形態によれば、第１および第２の周波数弁別手段８、９は、それ自体が知られている周波数フィルタを備える。

【0220】

システムの実施形態によれば、位相決定手段２０は、それ自体が知られている少なくとも２つの位相比較器３、４を備える。

【0221】

システムの実施形態によれば、第１および第２の周波数弁別手段は、それ自体が知られている相関器１１、１２を備える。そのような相関器に関しては、電磁ビームを送受信するためのシステムに関して上に示したのと同じ考慮事項が適用される。

【0222】

システムの実施形態によれば、処理手段１５は、それ自体が知られている１つまたは複数のプロセッサ、および関連するソフトウェアを備える。

【0223】

前述のシステムの実施形態によれば、上記の送信および受信された電磁ビームは、光ビームおよび／またはレーザビームである。

【0224】

気づいたかもしれないが、本発明の目的は、その機能的および構造的特徴のおかげで、上に示したシステムおよび方法によって完全に達成される。

【0225】

実際、上に示した電磁ビームを送受信するためのシステムおよび方法は、受信機の位置傾斜に依存せず、伝搬中のビームが受ける歪みに依存しない方法で、受信ビームの軌道角運動量を正確かつ確実に検出できる。

【0226】

これは、調査対象のビームに加えて、追加の基準ビームも含む複合ビームの２つの異なる点での二重空間検出によって実現される。

【0227】

次に、受信ビームの軌道角運動量を正確かつ確実に検出する可能性は、例えば、ビームの特性評価および電気通信目的のための角運動量変数の利用を含む、複数の異なる用途に有利に適用可能である。

【0228】

電気通信用途に関して、本発明の方法およびシステムは、追加の自由度として軌道角運動量変数を利用することを可能にし、信号の変調および信号の多重化の両方に有利に使用可能である。

【0229】

特に、軌道角運動量は、追加レベルの多重化を提供し（結果として、明らかな利点を伴う）、他の多重化変数（例えば、時間または周波数）の観点から同一であり、異なる軌道角運動量に基づいて識別可能な信号をグループ化することができる。

【0230】

当業者は、偶発的なニーズを満たすために、以下の請求項の範囲から逸脱することなく、上記のシステムおよび方法の実施形態を修正および適合させ、機能的に均等である他の要素に置き換えることができる。可能な実施形態に属すると記載された特徴のそれぞれは、記載された他の実施形態に関係なく達成され得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】