西安交通大學(xué)3D打印低成本OAM光束發(fā)生器，可產(chǎn)生通信專用渦旋光束

2025年1月2日，南極熊獲悉，西安交通大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型 3D 打印設(shè)備，可產(chǎn)生用于無(wú)線通信的專用渦旋光束。該設(shè)備可產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量 (OAM) 的渦旋光束，這是一種旋轉(zhuǎn)能量形式，可以比普通光束攜帶更多的數(shù)據(jù)。高效、緊湊且低成本的渦旋光束發(fā)生器可以幫助提高未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)的容量和可靠性。

△3D 打印制作了一種低成本、高效的裝置，該設(shè)備可產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的渦旋光束，并具有集成增益濾波功能。圖片由西安交通大學(xué)提供

相關(guān)研究以題為“3D-printed OAM beam generator withan enhanced out-of-band gain filtering characteristic”的論文發(fā)表在《Optics Express》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.542046

中國(guó)西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李建興表示：“5G/6G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中對(duì)高容量、抗干擾通信系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案。雖然攜帶 OAM 的渦旋光束可以潛在地提高頻譜效率和通信容量，但目前產(chǎn)生這些光束的方法受到效率低、制造成本高和易受有害頻帶干擾的阻礙�！�

在這項(xiàng)研究中，研究人員描述了他們?nèi)绾卫��?D 打印來(lái)創(chuàng)建 OAM 光束發(fā)生器，該發(fā)生器可用作先進(jìn)無(wú)線通信的復(fù)雜天線系統(tǒng)。該設(shè)備可產(chǎn)生高容量渦旋光束，并具有集成增益濾波功能，可放大所需信號(hào)，同時(shí)阻止干擾，以確保清晰、高效的傳輸。

△(a)SLM 打印的 OAM 光束發(fā)生器的示意圖；(b) 測(cè)量環(huán)境。

論文通訊作者曹元熙說(shuō)：“我們的 OAM 光束發(fā)生器特別適合 5G/6G 無(wú)線通信以及遙感和成像。例如，將這種設(shè)備集成到通信塔中可以改善音樂節(jié)或體育賽事等大型聚會(huì)的流媒體和在線連接，在這些場(chǎng)合，高用戶密度通常會(huì)使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)，導(dǎo)致網(wǎng)速變慢和連接中斷�！�

新型3D 打印 OAM 光束發(fā)生器使用集成增益濾波功率分配器均勻分配信號(hào)，同時(shí)在源頭濾除不需要的頻率。這最大限度地減少了干擾并減少了對(duì)額外外部組件的需求。研究人員還使用充氣全金屬結(jié)構(gòu)來(lái)避免介電損耗，從而確保更高的輻射效率和更大的功率處理能力。

△OAM波束發(fā)生器的配置。(a)拓?fù)洌?b)圓形天線陣列的相位關(guān)系；(c)采用空氣模型的配置。

該設(shè)備的工作原理是，首先使用內(nèi)置功率分配器將輸入信號(hào)分成八個(gè)相等的部分，功率分配器會(huì)沿途濾除不必要的頻率。然后，每個(gè)信號(hào)通過(guò)一條特殊路徑，調(diào)整相位以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生渦旋光束所需的精確對(duì)準(zhǔn)。最后，信號(hào)通過(guò)圓形天線陣列傳輸，產(chǎn)生具有所需特性的渦旋光束。

在進(jìn)行高級(jí)模擬以微調(diào)濾波功率分配器以實(shí)現(xiàn)精確的帶內(nèi)信號(hào)傳輸和有效的帶外抑制后，研究人員使用選擇性激光熔化技術(shù)，使用一種以高精度和低表面粗糙度著稱的鋁合金 3D 打印出原型設(shè)備

曹說(shuō)：“我們使用選擇性激光熔化 3D 打印技術(shù)將該設(shè)備制造成單片結(jié)構(gòu)。這樣就無(wú)需組裝，降低了制造成本，并確保了組件的精確對(duì)準(zhǔn)——所有這些對(duì)于高頻應(yīng)用都至關(guān)重要。”

實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)，原型設(shè)備實(shí)現(xiàn)了所需的光束特性，模式純度約為 80%。它還表現(xiàn)出較高的帶外抑制性能，超過(guò) 30 dB，可顯著降低干擾并確保清晰的信號(hào)傳輸。

研究人員目前正致力于通過(guò)提高增益、效率和信號(hào)濾波來(lái)增強(qiáng) OEM 光束發(fā)生器的性能。他們還計(jì)劃通過(guò)探索多模 OAM 生成并在更寬的頻率范圍內(nèi)（如太赫茲通信）進(jìn)行測(cè)試來(lái)擴(kuò)展?jié)撛趹?yīng)用。研究人員指出，要將該設(shè)備商業(yè)化，需要改進(jìn) 3D 打印以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，將其與現(xiàn)有系統(tǒng)集成，確保符合法規(guī)，并在 5G 和衛(wèi)星通信等實(shí)際​​應(yīng)用中驗(yàn)證性能。