西安交通大學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，西安交通大學的研究人員開發(fā)了一種新型 3D 打印設備，可產(chǎn)生用于無線通信的專用渦旋光束。該設備可產(chǎn)生具有軌道角動量 (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無線系統(tǒng)的容量和可靠性。

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

相關研究以題為“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

中國西安交通大學研究團隊負責人李建興表示：“5G/6G 無線網(wǎng)絡等應用中對高容量、抗干擾通信系統(tǒng)的需求日益增長，需要創(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�！�

在這項研究中，研究人員描述了他們?nèi)绾卫��?D 打印來創(chuàng)建 OAM 光束發(fā)生器，該發(fā)生器可用作先進無線通信的復雜天線系統(tǒng)。該設備可產(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，同時阻止干擾，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) 測量環(huán)境。

論文通訊作者曹元熙說：“我們的 OAM 光束發(fā)生器特別適合 5G/6G 無線通信以及遙感和成像。例如，將這種設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的流媒體和在線連接，在這些場合，高用戶密度通常會使現(xiàn)有網(wǎng)絡不堪重負，導致網(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，同時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額外外部組件的需求。研究人員還使用充氣全金屬結(jié)構來避免介電損耗，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)拓撲；(b)圓形天線陣列的相位關系；(c)采用空氣模型的配置。

該設備的工作原理是，首先使用內(nèi)置功率分配器將輸入信號分成八個相等的部分，功率分配器會沿途濾除不必要的頻率。然后，每個信號通過一條特殊路徑，調(diào)整相位以實現(xiàn)產(chǎn)生渦旋光束所需的精確對準。最后，信號通過圓形天線陣列傳輸，產(chǎn)生具有所需特性的渦旋光束。

在進行高級模擬以微調(diào)濾波功率分配器以實現(xiàn)精確的帶內(nèi)信號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，使用一種以高精度和低表面粗糙度著稱的鋁合金 3D 打印出原型設備

曹說：“我們使用選擇性激光熔化 3D 打印技術將該設備制造成單片結(jié)構。這樣就無需組裝，降低了制造成本，并確保了組件的精確對準——所有這些對于高頻應用都至關重要�！�

實驗測試證實，原型設備實現(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 30 dB，可顯著降低干擾并確保清晰的信號傳輸。

研究人員目前正致力于通過提高增益、效率和信號濾波來增強 OEM 光束發(fā)生器的性能。他們還計劃通過探索多模 OAM 生成并在更寬的頻率范圍內(nèi)（如太赫茲通信）進行測試來擴展?jié)撛趹�用。研究人員指出，要將該設備商業(yè)化，需要改進 3D 打印以實現(xiàn)可擴展性，將其與現(xiàn)有系統(tǒng)集成，確保符合法規(guī)，并在 5G 和衛(wèi)星通信等實際​​應用中驗證性能。