注：本文由課題組供稿

從古代的“烽火傳信”到近代的電報(bào)、電話，再到當(dāng)今的第五代移動(dòng)通信（5G），通信技術(shù)的迅速發(fā)展正在改變乃至革新人類生活的方方面面。“足不出戶便知天下事”已成為人們熟悉的生活方式和流行趨勢(shì)。隨著5G的商用部署，很多國(guó)家已開始對(duì)第六代移動(dòng)通信（6G）的研究。為了提供“萬(wàn)物智聯(lián)”、“隨時(shí)隨地隨心”的極致通信體驗(yàn)，未來6G的顯著特點(diǎn)是“空-天-陸-?！币惑w化網(wǎng)絡(luò)的全場(chǎng)景、全頻段覆蓋，在這種全景通信網(wǎng)絡(luò)中，單一的通信方式顯然已不能滿足需求，迫切需要將基于光波、微波等不同載體的通信方式結(jié)合起來，發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)。然而，如何實(shí)現(xiàn)多種不同通信方式的有機(jī)融合仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，亟需利用新方法和新技術(shù)開發(fā)低成本、高效的混合通信系統(tǒng)。

近年來，可編程超表面由于能以數(shù)字編程方式實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波而引起了研究者的強(qiáng)烈興趣和廣泛關(guān)注。可編程超表面于2014年由東南大學(xué)崔鐵軍院士及合作者率先提出并實(shí)現(xiàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列控制超表面（名詞解釋>>）。由于具有實(shí)時(shí)調(diào)控能力，可編程超表面不僅能夠在空間域中調(diào)控電磁波的波束、波前等特性，還可以進(jìn)一步在時(shí)間維度上操控電磁波的頻譜分布，用于構(gòu)建時(shí)域編碼數(shù)字超表面。得益于此，可編程超表面能夠在調(diào)控電磁波的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息處理。2019年來，基于可編程超表面實(shí)現(xiàn)了頻移鍵控、正交相移鍵控和正交幅度調(diào)制等多種不同調(diào)制方案的新型無線通信系統(tǒng)。由于在新架構(gòu)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和智能可控?zé)o線環(huán)境構(gòu)建方面極具應(yīng)用潛力，可編程超表面已成為IMT-2030框架下6G無線通信候選關(guān)鍵技術(shù)之一。

然而，目前構(gòu)造的可編程電磁超表面幾乎全是電控型，電控方案雖然十分有效，但不利于實(shí)現(xiàn)光電混合的多物理場(chǎng)超表面。因此，已有的基于電控可編程超表面搭建的無線通信系統(tǒng)通常僅能處理單一域的微波或毫米波信號(hào)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)跨越不同頻譜的多域信號(hào)的同時(shí)處理，限制了可編程超表面的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。不同于有線電控方式，近年來提出并驗(yàn)證了基于光電池和變?nèi)莨苈?lián)合加載的光控可編程電磁超表面，實(shí)現(xiàn)用光來實(shí)時(shí)調(diào)控微波傳播特性，如反射波束形變、透射能量分布等（Nature Electronics, DOI: 10.1038/s41928-020-0380-5; Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201801028; Science Bulletin, 10.1016/j.scib.2020.03.016; Applied Physics Letter, DOI: 10.1063/1.5045718）。但在上述工作中，光并未攜帶數(shù)字信息，僅作為驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)完成微波在空間域中的動(dòng)態(tài)調(diào)控。此外，研制的光控可編程電磁超表面的切換速度較慢，難以在通信中獲得良好應(yīng)用。

鑒于此，近日，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)的蔣衛(wèi)祥教授等人聯(lián)合東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張?jiān)阼〗淌谡n題組、新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授，提出、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于光控時(shí)域電磁超表面的光到微波混合發(fā)射機(jī)，并利用其搭建了一套新型的雙通道光到微波混合無線通信系統(tǒng)，為超表面在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新的參考。

該成果以“A metasurface-based light-to-microwave transmitter for hybrid wireless communications”為題發(fā)表在  Light: Science & Applications。論文通訊作者為東南大學(xué)蔣衛(wèi)祥教授、張?jiān)阼〗淌诤痛掼F軍院士，共同第一作者為東南大學(xué)張信歌博士、博士生孫雅倫和朱秉誠(chéng)副研究員，其他貢獻(xiàn)者包括東南大學(xué)本科生于千、博士生田翰闈以及新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

光控時(shí)域超表面

基于超表面的光到微波混合發(fā)射機(jī)的工作原理示意圖如圖1所示。光控時(shí)域電磁超表面接收到攜帶原始信息的光信號(hào)后，直接將其高效調(diào)制到入射微波載波上，再利用微波反射信號(hào)將原始信息發(fā)射出去。因此，該混合發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵核心是設(shè)計(jì)具有超快響應(yīng)速度的光控時(shí)域電磁超表面。

圖1：基于光控時(shí)域電磁超表面的光到微波混合發(fā)射機(jī)的工作原理示意圖

為了實(shí)現(xiàn)該目的，研究者設(shè)計(jì)了一種具有微秒級(jí)切換速度的高靈敏光電檢測(cè)電路，并將其有效集成在可編程電磁超表面的背面，從而構(gòu)建相應(yīng)的光控時(shí)域電磁超表面，研制的實(shí)驗(yàn)樣品如圖2所示。

圖2：光控時(shí)域電磁超表面的樣品圖

該光電檢測(cè)電路是通過將級(jí)聯(lián)跨阻放大電路與光電池集成來實(shí)現(xiàn)，與直接用光電池來驅(qū)動(dòng)變?nèi)莨艿姆桨赶啾?，其切換速度提升了約10000倍。因此，光電檢測(cè)電路能夠?qū)⒔邮盏降臅r(shí)變光強(qiáng)信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為周期電壓信號(hào)，用于控制可編程超表面中集成的變?nèi)莨埽瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)入射微波頻譜的實(shí)時(shí)調(diào)控。 

光到微波信號(hào)轉(zhuǎn)換

在上述光控時(shí)域電磁超表面上，通過快速切換光強(qiáng)信號(hào)的波形，可實(shí)時(shí)調(diào)控超表面反射微波的頻譜分布，其對(duì)應(yīng)于數(shù)字調(diào)制技術(shù)中的頻移鍵控。因此，通過將數(shù)字比特“0”和“1”分別映射到兩種不同波形的周期光信號(hào)上，能夠完成對(duì)入射微波載波的實(shí)時(shí)調(diào)制，產(chǎn)生二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到微波信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換。不同于傳統(tǒng)方法，該信號(hào)轉(zhuǎn)換方案無需將光信號(hào)先解調(diào)為基帶信號(hào)，再上變頻到射頻域這一復(fù)雜過程。此外，研究者還利用設(shè)計(jì)的超表面的色散特性，在其上挖掘并實(shí)現(xiàn)了基于頻分復(fù)用（名詞解釋>）的雙通道信號(hào)轉(zhuǎn)換。即該光控時(shí)域電磁超表面能夠?qū)⒁宦饭庑盘?hào)中攜帶的兩種原始信息分別獨(dú)立地映射到兩個(gè)具有不同入射頻率的微波載波上，從而提升通信容量和效率。

雙通道混合通信系統(tǒng)

作為驗(yàn)證，研究者基于上述超表面混合發(fā)射機(jī)搭建了一套雙通道的可見光到微波混合無線通信系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3：（a）搭建的雙通道可見光到微波混合無線通信系統(tǒng)；（b）發(fā)射的雙路視頻信息；（c）接收解調(diào)的雙路視頻信息

該雙通道混合通信系統(tǒng)包括可見光發(fā)射模塊、光控時(shí)域電磁超表面和微波接收模塊。在實(shí)驗(yàn)中，兩路視頻信息首先被調(diào)制到可見光信號(hào)上，光控時(shí)域電磁超表面接收到調(diào)制光信號(hào)后直接將兩路信息分別映射至兩個(gè)不同的入射微波載波上，兩路已調(diào)信號(hào)最后被微波接收模塊接收并解調(diào)恢復(fù)成原始視頻信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該混合無線通信系統(tǒng)能通過可見光鏈路和微波鏈路分別發(fā)射和接收信息，很好地實(shí)現(xiàn)了雙路視頻的獨(dú)立實(shí)時(shí)傳輸。該混合通信系統(tǒng)采用了可見光和微波兩種不同的載波進(jìn)行信息傳輸，可利用兩種通信方式各自的優(yōu)點(diǎn)，有望在某些特殊通信應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。

該工作中研制的基于光控時(shí)域超表面的光到微波發(fā)射機(jī)有助于解決現(xiàn)有基于超表面的通信體制難以在單一平臺(tái)上同時(shí)處理光信號(hào)和微波信號(hào)的難題，為開發(fā)低成本、低復(fù)雜度和高效的新型混合通信系統(tǒng)奠定重要基礎(chǔ)，對(duì)提升超表面在下一代無線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力以及探索新應(yīng)用具有重要意義。

| 論文信息 |

Zhang, X.G., Sun, Y.L., Zhu, B. et al. A metasurface-based light-to-microwave transmitter for hybrid wireless communications. Light Sci Appl 11, 126 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00817-5

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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