دستگاه انقلابی چاپ سه‌بعدی: نور چرخشی، اینترنت 5G و 6G را متحول می‌کند!

ابداع دستگاهی نوین برای تولید پرتوهای نور چرخشی

پژوهشگران موفق به طراحی یک دستگاه با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی شده‌اند که پرتوهای نور چرخشی را تولید می‌کند. این پرتوها، که به تکانه زاویه‌ای مداری (OAM) مجهز هستند، قادرند اطلاعات بیشتری نسبت به پرتوهای معمولی حمل کنند. تولیدکننده‌های گردابه‌های نوری با راندمان بالا، اندازه‌ی کوچک و قیمت مناسب، پتانسیل بالایی در افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سامانه‌های بی‌سیم آینده دارند.

جیانشینگ لی، سرپرست تیم تحقیقاتی از دانشگاه جیائوتونگ شی‌آن چین، بیان کرد: «نیاز روزافزون به سامانه‌های ارتباطی با ظرفیت بالا و مقاوم در برابر اختلال در حوزه‌هایی نظیر شبکه‌های بی‌سیم 5G و 6G، مستلزم راهکارهای نوآورانه است.» وی افزود: «اگرچه پرتوهای گردابی با OAM قادرند کارایی طیفی و ظرفیت ارتباطی را افزایش دهند، اما روش‌های فعلی تولید این پرتوها با چالش‌هایی از جمله راندمان پایین، هزینه‌های بالا و آسیب‌پذیری در مقابل تداخل از باندهای فرکانسی نامطلوب مواجه هستند.»

ساخت پرتوهای گردابی با استفاده از چاپ سه‌بعدی

در نشریه‌ی Optics Express از گروه انتشاراتی اپتیکا، محققان شرح می‌دهند که چگونه از چاپ سه‌بعدی برای ساخت یک تولیدکننده پرتو OAM استفاده کرده‌اند که می‌تواند به عنوان یک سامانه‌ی آنتن پیشرفته برای ارتباطات بی‌سیم به کار رود. این دستگاه، پرتوهای گردابی با ظرفیت بالا تولید می‌کند و دارای یک فیلتر تقویتی یکپارچه است که سیگنال‌های مطلوب را تقویت کرده و تداخل را دفع می‌کند تا یک انتقال داده‌ی واضح و کارآمد فراهم آورد.

یوانکسی کائو، نویسنده‌ی مسئول این مقاله، گفت: «تولیدکننده‌ی پرتو OAM ما به طور خاص برای ارتباطات بی‌سیم 5G و 6G و همچنین حسگرهای از راه دور و تصویربرداری مناسب است.» وی اضافه کرد: «به عنوان مثال، ادغام این دستگاه در دکل‌های مخابراتی می‌تواند به بهبود پخش زنده‌ی مراسم و اتصال آنلاین در اجتماعات بزرگ مانند جشنواره‌های موسیقی یا رویدادهای ورزشی کمک کند؛ جایی که تراکم بالای کاربران معمولاً شبکه‌های موجود را تحت فشار قرار داده و منجر به کاهش سرعت و قطعی ارتباط می‌شود.»

فیلتر سیگنال یکپارچه

تولیدکننده‌ی پرتو OAM جدید با فناوری چاپ سه‌بعدی از یک تقسیم‌کننده‌ی قدرت به همراه فیلتر تقویتی یکپارچه استفاده می‌کند تا سیگنال را به طور مساوی توزیع کند و هم‌زمان فرکانس‌های ناخواسته را از منبع فیلتر نماید. این ویژگی، تداخل را به حداقل می‌رساند و نیاز به قطعات خارجی اضافی را کاهش می‌دهد.

تحقیقات نوین در زمینه‌ی تولید پرتوهای وورتکس

محققان برای جلوگیری از تلفات دی‌الکتریک، از یک ساختار تمام فلزی و پر از هوا استفاده کردند که این امر به افزایش کارایی تابش و ظرفیت بالای توان کمک می‌کند. این دستگاه، ابتدا سیگنال ورودی را به هشت قسمت مساوی تقسیم کرده و از یک تقسیم‌کننده‌ی توان داخلی بهره می‌برد که در طول مسیر، فرکانس‌های اضافی را حذف می‌کند. سپس، هر سیگنال از یک مسیر خاص عبور می‌کند که فاز را تنظیم می‌کند تا تراز دقیقی برای ایجاد پرتو وورتکس به دست آید. در نهایت، سیگنال‌ها از طریق یک آرایه‌ی دایره‌ای از آنتن‌ها منتقل می‌شوند تا پرتو وورتکسی با ویژگی‌های مطلوب تولید شود.

ساخت و آزمایش

پس از انجام شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای تنظیم دقیق تقسیم‌کننده‌ی توان فیلترکننده به منظور انتقال سیگنال در باند و سرکوب موثر سیگنال‌های خارج از آن، محققان از فناوری ذوب لیزری انتخابی برای چاپ سه‌بعدی یک نمونه‌ی اولیه با استفاده از آلیاژ آلومینیوم که به دقت بالا و زبری سطح کم معروف است، استفاده نمودند. کائو گفت: «ما دستگاه را به عنوان یک ساختار یکپارچه با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی ذوب لیزری انتخابی تولید کردیم.» او افزود: «این کار نیاز به مونتاژ را از بین می‌برد، هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد و تراز دقیق قطعات را تضمین می‌کند؛ که همه‌ی این موارد برای کاربردهای فرکانس بالا حیاتی هستند.»

آزمایش‌های عملی تأیید کرد که نمونه‌ی اولیه‌ی دستگاه، خصوصیات پرتو مورد نظر را با خلوص مد حدود 80% به دست آورده است. همچنین، این دستگاه سرکوب بالایی برای سیگنال‌های خارج از باند داشت که بیش از 30 دسی‌بل بود؛ این امر به طور قابل توجهی تداخل را کاهش داده و انتقال سیگنال پاک را تضمین می‌کند.

پیشرفت‌های آینده

محققان در حال حاضر در تلاشند تا عملکرد تولیدکننده‌ی پرتو OAM را با بهبود بهره‌وری، راندمان و فیلتر کردن سیگنال ارتقا دهند. آن‌ها همچنین تمایل دارند با بررسی تولید چند حالته‌ی OAM و آزمایش آن در محدوده‌های فرکانسی گسترده‌تر، مانند ارتباطات تراهرتز، کاربردهای بالقوه را توسعه دهند. پژوهشگران اشاره می‌کنند که تجاری‌سازی این دستگاه، نیازمند ارتقای چاپ سه‌بعدی برای افزایش مقیاس‌پذیری، ادغام آن با سیستم‌های موجود، اطمینان از رعایت ضوابط و اعتبارسنجی عملکرد در کاربردهای واقعی مانند 5G و ارتباطات ماهواره‌ای است.