西安交通大学3D打印低成本OAM光束发生器，可产生通信专用涡旋光束

2025年1月2日，南极熊获悉，西安交通大学的研究人员开发了一种新型 3D 打印设备，可产生用于无线通信的专用涡旋光束。该设备可产生具有轨道角动量 (OAM) 的涡旋光束，这是一种旋转能量形式，可以比普通光束携带更多的数据。高效、紧凑且低成本的涡旋光束发生器可以帮助提高未来无线系统的容量和可靠性。

△3D 打印制作了一种低成本、高效的装置，该设备可产生具有轨道角动量的涡旋光束，并具有集成增益滤波功能。图片由西安交通大学提供

相关研究以题为“3D-printed OAM beam generator withan enhanced out-of-band gain filtering characteristic”的论文发表在《Optics Express》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.542046

中国西安交通大学研究团队负责人李建兴表示：“5G/6G 无线网络等应用中对高容量、抗干扰通信系统的需求日益增长，需要创新的解决方案。虽然携带 OAM 的涡旋光束可以潜在地提高频谱效率和通信容量，但目前产生这些光束的方法受到效率低、制造成本高和易受有害频带干扰的阻碍。”

在这项研究中，研究人员描述了他们如何利用3D 打印来创建 OAM 光束发生器，该发生器可用作先进无线通信的复杂天线系统。该设备可产生高容量涡旋光束，并具有集成增益滤波功能，可放大所需信号，同时阻止干扰，以确保清晰、高效的传输。

△(a)SLM 打印的 OAM 光束发生器的示意图；(b) 测量环境。

论文通讯作者曹元熙说：“我们的 OAM 光束发生器特别适合 5G/6G 无线通信以及遥感和成像。例如，将这种设备集成到通信塔中可以改善音乐节或体育赛事等大型聚会的流媒体和在线连接，在这些场合，高用户密度通常会使现有网络不堪重负，导致网速变慢和连接中断。”

新型3D 打印 OAM 光束发生器使用集成增益滤波功率分配器均匀分配信号，同时在源头滤除不需要的频率。这最大限度地减少了干扰并减少了对额外外部组件的需求。研究人员还使用充气全金属结构来避免介电损耗，从而确保更高的辐射效率和更大的功率处理能力。

△OAM波束发生器的配置。(a)拓扑；(b)圆形天线阵列的相位关系；(c)采用空气模型的配置。

该设备的工作原理是，首先使用内置功率分配器将输入信号分成八个相等的部分，功率分配器会沿途滤除不必要的频率。然后，每个信号通过一条特殊路径，调整相位以实现产生涡旋光束所需的精确对准。最后，信号通过圆形天线阵列传输，产生具有所需特性的涡旋光束。

在进行高级模拟以微调滤波功率分配器以实现精确的带内信号传输和有效的带外抑制后，研究人员使用选择性激光熔化技术，使用一种以高精度和低表面粗糙度著称的铝合金 3D 打印出原型设备

曹说：“我们使用选择性激光熔化 3D 打印技术将该设备制造成单片结构。这样就无需组装，降低了制造成本，并确保了组件的精确对准——所有这些对于高频应用都至关重要。”

实验测试证实，原型设备实现了所需的光束特性，模式纯度约为 80%。它还表现出较高的带外抑制性能，超过 30 dB，可显著降低干扰并确保清晰的信号传输。

研究人员目前正致力于通过提高增益、效率和信号滤波来增强 OEM 光束发生器的性能。他们还计划通过探索多模 OAM 生成并在更宽的频率范围内（如太赫兹通信）进行测试来扩展潜在应用。研究人员指出，要将该设备商业化，需要改进 3D 打印以实现可扩展性，将其与现有系统集成，确保符合法规，并在 5G 和卫星通信等实际​​应用中验证性能。