コンパクト、低コスト渦巻ビームジェネレータを3Dプリント

December, 25, 2024, Washington--西安交通大学の研究チームは、通常のビームよりも多くのデータを運ぶことができる回転エネルギーの一種である軌道角運動量(OAM)を持つねじれた光ビームを生成する3Dプリントデバイスを開発した。
効率的でコンパクト、かつ低コストのボルテックスビーム発生器は、将来の無線システムの容量と信頼性を向上させるのに役立つ可能性がある。

「5G/6G無線ネットワークなどのアプリケーションにおける大容量で干渉に強い通信システムに対する需要増には、革新的なソリューションが必要だ。OAMを運ぶ渦ビームは、スペクトル効率と通信容量を向上させる可能性があるが、これらのビームを生成する現在の方法は、効率が低く、製造コストが高く、不要な周波数帯域からの干渉に対する脆弱性によって妨げられている」と、中国の西安交通大学の研究チームリーダー、Jianxing Liは話している。

Optica Publishing GroupのジャーナルであるOptics Expressでは、研究チームは、3Dプリンティングを活用して、高度な無線通信用の高度なアンテナシステムとして使用できるOAMビームジェネレータをどのように作成したかを説明している。このデバイスは、大容量の渦ビームを生成し、干渉をブロックしながら目的の信号を増幅する統合ゲインフィルタリング機能を備えており、クリアで効率的な伝送を保証する。

「われわれのOAMビームジェネレータは、5G/6G無線通信だけでなく、リモートセンシングやイメージングにも特に適している。たとえば、このデバイスを通信タワーに統合すると、音楽祭やスポーツイベントなどの大規模な集まりでのストリーミングとオンライン接続を改善できる。これらの集まりでは、ユーザ密度が高いと既存のネットワークが圧倒され、速度が低下したり、接続が切断されたりすることがよくある」と、論文の責任著者であるYuanxi Caoは説明している。

統合信号フィルタリング
新しい3DプリントOAMビームジェネレータは、統合されたゲインフィルタリングパワーデバイダーを使用して信号を均等に分割すると同時に、ソースで不要な周波数をフィルタリングする。これにより、干渉が最小限に抑えられ、追加の外付け部品の必要性が減少する。また、研究チームは、誘電損失を回避するために空気で満たされたオールメタル構造を使用し、より高い放射効率とより大きな電力処理能力を確保した。

このデバイスは、最初に内蔵の電力分配器を使用して入力信号を8等分することで機能し、途中で不要な周波数をフィルタリングする。次に、各信号は、渦ビームを作成するために必要な正確な位置合わせを達成するために位相を調整する特別な経路を通過する。最後に、信号はアンテナの円形アレイを介して送信され、目的の特性を持つ渦ビームが生成される。

製造とテスト
研究チームは、フィルタリング電力分配器を微調整して正確なインバンド信号伝送と効果的なアウトオブバンド抑制を実現する高度なシミュレーションを行った後、選択的レーザ溶融(SLM)を使用して、高精度で表面粗さが低いことで知られるアルミニウム合金を使用してプロトタイプデバイスを3Dプリントした。

「われわれは、SLM 3Dプリンティング技術を使用して、デバイスをモノリシック構造として製造した。これにより、組み立てが不要になり、製造コストが削減され、コンポーネントの正確な位置合わせが確保される。これらはすべて、高周波アプリケーションにとって重要である」(Cao)。

実験試験により、試作装置はモード純度約80%で所望のビーム特性を達成したことが確認された。また、30dBを超える高い帯域外抑制も示し、干渉を大幅に低減し、クリーンな信号伝送を確保した。

研究チームは現在、ゲイン、効率、信号フィルタリングを改善することにより、OEMビーム発生器の性能向上に取り組んでいる。また、マルチモードOAM生成を探求し、テラヘルツ通信などのより広い周波数範囲でテストすることで、潜在的なアプリケーションを拡大したいと考えている。チームは、デバイスを商用化するには、スケーラビリティのために3Dプリンティングを改良し、既存のシステムと統合し、規制への準拠を確保し、5Gや衛星通信などの実際のアプリケーションでのパフォーマンスを検証する必要があると考えている。