研究人员创建了一种能够产生携带轨道角动量（OAM）扭转光束的3D打印设备。这种转动能量可以传输比传统光束显著更多的信息。这种紧凑、高效且经济的涡旋光束发射器有潜力提高未来无线通信技术的容量和可靠性。
研究人员创建了一种能够产生携带轨道角动量（OAM）扭转光束的3D打印设备。这种转动能量可以传输比传统光束显著更多的信息。这种紧凑、高效且经济的涡旋光束发射器有潜力提高未来无线通信技术的容量和可靠性。
“对高容量、抗干扰通信系统的需求不断增加，尤其是在5G和6G网络等领域，这需要创造性的解决方案，”来自中国西安交通大学的首席研究员李建兴解释道。“虽然携带OAM的涡旋光束可以提升通信容量和光谱效率，但当前的生成方法由于效率低、生产成本高以及易受到其他频段的干扰而受到限制。”
在期刊Optics Express中，研究团队讨论了他们如何利用3D打印技术开发了一种设计为先进无线通信的复杂天线系统的OAM光束发射器。该设备产生高容量的涡旋光束，并包含一个内置增益过滤系统，可增强所需信号，同时阻挡干扰，确保高效和清晰的传输。
“我们的OAM光束发射器特别适合5G和6G通信以及遥感和成像，”论文的通讯作者曹元熙指出。“例如，在通信塔中使用该设备，可以提高音乐节或体育比赛等大型活动中的流媒体和连接性，在用户密度高的情况下，现有网络可能会不堪重负，导致速度缓慢和连接中断。”
集成信号过滤
这种创新的3D打印OAM光束发射器结合了一个内置的增益过滤功率分配器，该分配器均匀地分割信号，同时在源头过滤掉不需要的频率。此过程有助于限制干扰，减少额外外部组件的必要性。此外，研究人员设计了一种充气的全金属结构，以最小化介电损耗，提高辐射效率和增加电力处理能力。
该设备的工作原理是最初通过内置功率分配器将输入信号分成八个等分，同时过滤掉不必要的频率。每个部分随后通过一个专门的通道，这个通道修改信号的相位，以达到创建涡旋光束所需的精确对齐。最后，这些部分通过一个圆形天线阵列发送，产生具有所需特性的涡旋光束。
制造与测试
在进行高级模拟以优化过滤功率分配器以实现准确的带内信号传输和有效的带外抑制后，研究人员采用选择性激光熔化技术，用一种以精度和光滑表面处理而闻名的铝合金3D打印了一个原型。
“我们使用选择性激光熔化3D打印技术将设备作为一个整体构建，”曹说道。“这种方法消除了组装的需求，降低了制造成本，并确保了精确的组件对齐，这些在高频应用中至关重要。”
实验结果表明，原型设备达到了所需的光束特性，模式纯度达到了约80%。它还展示了优异的带外抑制，超过30dB，显著降低了干扰，确保了清晰的信号传输。
研究团队目前专注于通过增强增益、效率和信号过滤能力来提高OAM光束发射器的性能。他们还计划通过研究多模式OAM生成并在更广泛的频率范围内进行测试，包括太赫兹通信，来扩展其应用。研究人员指出，将该设备商业化将需要对3D打印过程进行优化以实现可扩展性，集成现有系统，符合监管标准，并验证其在5G和卫星通信等实际应用中的性能。
