Des chercheurs chinois ont mis au point un dispositif imprimé en 3D qui génère des faisceaux lumineux tordus dotés d’un moment angulaire orbital (MAO), une forme d’énergie rotative qui peut transporter plus de données que les faisceaux ordinaires. Les générateurs de faisceaux tourbillonnaires efficaces, compacts et peu coûteux pourraient contribuer à améliorer la capacité et la fiabilité des futurs systèmes sans fil.
« La demande croissante de systèmes de communication à haute capacité et résistants aux interférences dans des applications telles que les réseaux sans fil 5G/6G nécessite des solutions innovantes », a déclaré Jianxing Li, chef de l’équipe de recherche de l’université Xi’an Jiaotong en Chine. « Bien que les faisceaux de vortex porteurs d’OAM puissent potentiellement améliorer l’efficacité spectrale et la capacité de communication, les méthodes actuelles pour générer ces faisceaux sont entravées par une faible efficacité, des coûts de fabrication élevés et une vulnérabilité aux interférences provenant de bandes de fréquences indésirables. »
Dans la revue Optics Express du groupe Optica Publishing, les chercheurs décrivent comment ils ont tiré parti de l’impression 3D pour créer un générateur de faisceau OAM qui peut être utilisé comme système d’antenne sophistiqué pour les communications sans fil avancées. L’appareil génère des faisceaux tourbillonnaires de grande capacité et intègre une fonction de filtrage du gain qui amplifie les signaux souhaités tout en bloquant les interférences afin de garantir une transmission claire et efficace.
« Notre générateur de faisceaux OAM est particulièrement bien adapté aux communications sans fil 5G/6G ainsi qu’à la télédétection et à l’imagerie », a déclaré Yuanxi Cao, auteur correspondant de l’article. « Par exemple, l’intégration de ce dispositif dans les tours de communication pourrait améliorer la diffusion en continu et la connectivité en ligne lors de grands rassemblements tels que les festivals de musique ou les événements sportifs, où la forte densité d’utilisateurs submerge souvent les réseaux existants, entraînant des vitesses lentes et des interruptions de connexion. »
Filtrage intégré du signal
Le nouveau générateur de faisceau OAM imprimé en 3D utilise un diviseur de puissance à filtrage de gain intégré pour diviser le signal de manière égale tout en filtrant les fréquences indésirables à la source. Cela minimise les interférences et réduit le besoin de composants externes supplémentaires. Les chercheurs ont également utilisé une structure entièrement métallique remplie d’air pour éviter les pertes diélectriques, ce qui garantit une meilleure efficacité de rayonnement et une plus grande capacité de traitement de l’énergie.
Le dispositif fonctionne en divisant d’abord un signal entrant en huit parties égales à l’aide du diviseur de puissance intégré, qui filtre les fréquences inutiles en cours de route. Chaque signal passe ensuite par une voie spéciale qui ajuste la phase pour obtenir l’alignement précis nécessaire à la création du faisceau tourbillonnaire. Enfin, les signaux sont transmis à travers un réseau circulaire d’antennes pour produire un faisceau de vortex ayant les propriétés souhaitées.
Fabrication et essais
Après avoir effectué des simulations avancées pour affiner le réglage du diviseur de puissance filtrant en vue d’une transmission précise du signal dans la bande et d’une suppression efficace hors bande, les chercheurs ont utilisé la fusion sélective par laser pour imprimer en 3D un prototype de dispositif à l’aide d’un alliage d’aluminium connu pour sa grande précision et sa faible rugosité de surface.
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« Nous avons fabriqué le dispositif sous la forme d’une structure monolithique à l’aide de la technologie d’impression 3D par fusion sélective au laser », explique M. Cao. « Cela élimine le besoin d’assemblage, réduit les coûts de fabrication et garantit un alignement précis des composants, ce qui est essentiel pour les applications à haute fréquence. »
Les essais expérimentaux ont confirmé que le prototype présentait les caractéristiques de faisceau souhaitées avec une pureté de mode d’environ 80 %. Il présente également une suppression hors bande élevée, supérieure à 30 dB, ce qui réduit considérablement les interférences et garantit une transmission propre du signal.
Les chercheurs s’efforcent à présent d’améliorer les performances du générateur de faisceau OEM en améliorant le gain, l’efficacité et le filtrage du signal. Ils souhaitent également élargir les applications potentielles en explorant la génération d’OAM multimodes et en la testant dans des gammes de fréquences plus larges, telles que les communications térahertz. Les chercheurs notent que la commercialisation du dispositif nécessitera d’affiner l’impression 3D pour l’extensibilité, de l’intégrer aux systèmes existants, d’assurer la conformité aux réglementations et de valider les performances dans des applications réelles telles que la 5G et la communication par satellite.
Légende illustration : Les chercheurs ont imprimé en 3D un dispositif peu coûteux et efficace qui génère des faisceaux lumineux tordus avec un moment angulaire orbital et qui comporte un filtrage de gain intégré. Crédit : Yuanxi Cao, Université Jiaotong de Xi’an
Article : J. Li, S. Wu, Z. Li, Y. Cao, K.-D. Xu, “3D-printed OAM beam generator with an enhanced out-of-band gain filtering characteristic,” Opt. Express, 32, 47285-47295 (2024). DOI: 10.1364/OE.542046
Source : OPTICA – Traduction Enerzine.com
