使用市面上成熟的材料，展示了用于高速光无线通信的3D打印光学天线

《Advanced Materials Technologies》：Demonstration of 3D-Printed Optical Antennas for High-Speed Optical Wireless Communication Using Market-Ready Materials

本研究首次利用商用3D打印透明材料制作荧光光学天线，实现了超过70 Mb/s的OWC通信速率，验证了其在高带宽、大视场角和低成本方面的潜力，为物联网和6G发展提供了新途径。

　　光学无线通信（Optical Wireless Communication, OWC）作为下一代通信技术的重要组成部分，正在吸引越来越多的关注。特别是在即将到来的第六代通信（6G）网络中，OWC因其在带宽（BW）、安全性和广泛适用性方面的独特优势而被视为关键技术之一。其中，可见光通信（Visible Light Communication, VLC）通过利用可见光谱中的光信号进行数据传输，结合了照明和通信的双重功能，为物联网（Internet of Things, IoT）的实现提供了强有力的支持。随着VLC技术的不断发展，对高效、高灵敏度、高带宽的接收器的需求也日益增长，而传统接收器在体积、成本和复杂性方面往往难以满足这些要求。因此，研究如何利用新型材料和制造工艺来构建高效的VLC接收器成为当前的重要课题。

近年来，荧光集光器（Fluorescent Concentrator, FC）被引入到VLC接收器的设计中，作为一种具有优异性能的光学天线（Optical Antenna, OA）结构。FC是一种薄而平面的光学转换器，通常掺杂特定的荧光物质，其主要功能是吸收入射光并将其转换为荧光光，然后通过全内反射（Total Internal Reflection, TIR）引导荧光光至边缘，从而实现对光信号的高效收集。这种方法不仅避免了传统接收器对复杂光学元件的依赖，还为实现低成本、低复杂度的VLC接收器提供了新的思路。然而，传统的FC制作方法通常需要复杂的工艺流程，例如使用特定的光学树脂和精密的聚合过程，这限制了其在实际应用中的推广。

为了克服这些限制，研究人员开始探索3D打印技术在FC制造中的应用。3D打印技术具有高设计自由度、低成本和快速制造的优势，使得它成为一种理想的替代方案。特别是，3D打印能够使用商用材料制作透明的平面结构，这些结构可以作为VLC接收器的光学前端，从而在不牺牲透明度的情况下实现高效的光信号转换。本研究中，使用了四种商用光固化树脂（VITRA430、VITRADL375、DS2000和OPENDWS CLEAR）进行3D打印，这些树脂原本并非专为光学应用设计，但它们的透明度和高分辨率打印特性使其成为构建透明光学天线的理想材料。通过实验验证，这些3D打印的FC不仅能够实现高带宽的光信号转换，还能够在VLC系统中表现出良好的通信性能。

本研究的重点在于对这些3D打印FC的光学特性和通信性能进行系统性分析。首先，通过吸收和发射光谱的测量，评估了FC对光信号的转换效率。结果显示，这些材料的吸收峰与LED光源的发射波长存在一定程度的重叠，从而影响了信号的转换效率。然而，尽管存在这种重叠，这些FC仍然能够支持高速通信，且其吸收和发射光谱之间的斯托克斯位移（Stokes shift）足以减少光信号在传输过程中的自吸收效应。此外，通过测量FC的带宽（BW）和收集效率，进一步验证了其在VLC通信中的潜力。研究发现，VITRA375和DS2000在这些指标上表现尤为出色，其带宽均超过了60 MHz，而VITRA430的带宽甚至达到了约90 MHz，这表明它们在高速通信中的适用性。

在通信性能方面，研究人员使用了误码率（Bit Error Rate, BER）测试来评估这些3D打印FC在VLC系统中的表现。实验结果表明，VITRA375和DS2000能够支持高达75 Mb/s的数据传输速率，且误码率在10^-3以下，而VITRA430则在76 Mb/s时达到这一阈值。这些结果验证了3D打印FC作为VLC接收器的可行性，并展示了其在高带宽通信中的潜力。此外，研究还发现，通过使用更高效的光发射源和更先进的调制技术（如正交频分复用（OFDM）和正交幅度调制（QAM）），通信速率有望进一步提升至吉比特（Gb/s）级别。这些技术的引入不仅能够提高数据传输速度，还能增强通信系统的鲁棒性和抗干扰能力。

除了通信性能，研究还探讨了3D打印FC在接收效率和场视（Field of View, FoV）方面的表现。实验表明，这些FC具有较大的FoV，通常超过160度，这使得它们能够更有效地收集来自不同方向的光信号，从而提高通信的可靠性和稳定性。同时，通过分析不同位置的激光点对信号的影响，研究人员发现，即使在较大的偏移量下，DS2000和VITRA375仍然能够保持较低的误码率，这表明它们在抗偏移和抗环境干扰方面表现优异。相比之下，VITRA430在较大的偏移量下表现出较高的误码率，这可能与其较低的收集效率有关。

本研究还关注了3D打印过程中可能引入的光学各向异性（Optical Anisotropy）问题。由于3D打印是逐层构建的过程，材料在生长方向上可能会出现不同的光学特性，例如折射率的变化和表面粗糙度的差异。这些各向异性可能会影响光信号的传播和收集效率。然而，实验结果显示，尽管存在一定的各向异性，这些3D打印FC在整体性能上仍然表现良好。研究还提出，未来可以通过设计特定的结构来优化光信号的传播路径，从而进一步提高光学天线的性能。

此外，研究还探讨了如何利用这些3D打印FC实现更广泛的应用场景。例如，在智能交通系统（Intelligent Transportation Systems, ITS）中，透明的3D打印材料可以用于制作具有VLC接收功能的挡风玻璃或车窗，从而在不干扰视线的情况下实现数据传输。同样，在显示设备或透明建筑元素中，这些FC可以作为光信号的接收器，实现环境友好型通信系统。这些应用表明，3D打印技术不仅能够简化光学天线的制造流程，还能拓展其在实际场景中的适用性。

本研究的意义在于，它首次展示了如何利用商用、透明的3D打印材料制作高效的VLC接收器，为未来的通信系统提供了新的解决方案。通过详细分析这些材料的光学特性，研究人员揭示了它们在VLC和OWC应用中的巨大潜力，并提出了进一步优化和应用的建议。这些发现不仅有助于推动VLC技术的商业化，还为实现更高效的通信系统提供了理论支持和技术路径。此外，该研究也为3D打印技术在光学领域的应用开辟了新的方向，特别是在开发低成本、高效率的光通信设备方面具有重要意义。