注：本文由課題組供稿

從古代的“烽火傳信”到近代的電報、電話，再到當今的第五代移動通信（5G），通信技術的迅速發展正在改變乃至革新人類生活的方方面面?！白悴怀鰬舯阒煜率隆币殉蔀槿藗兪煜さ纳罘绞胶土餍汹厔?。隨著5G的商用部署，很多國家已開始對第六代移動通信（6G）的研究。為了提供“萬物智聯”、“隨時隨地隨心”的極致通信體驗，未來6G的顯著特點是“空-天-陸-?！币惑w化網絡的全場景、全頻段覆蓋，在這種全景通信網絡中，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合起來，發揮其各自優勢。然而，如何實現多種不同通信方式的有機融合仍然面臨諸多挑戰，亟需利用新方法和新技術開發低成本、高效的混合通信系統。

近年來，可編程超表面由于能以數字編程方式實時調控電磁波而引起了研究者的強烈興趣和廣泛關注。可編程超表面于2014年由東南大學崔鐵軍院士及合作者率先提出并實現，通過現場可編程邏輯門陣列控制超表面（名詞解釋>>）。由于具有實時調控能力，可編程超表面不僅能夠在空間域中調控電磁波的波束、波前等特性，還可以進一步在時間維度上操控電磁波的頻譜分布，用于構建時域編碼數字超表面。得益于此，可編程超表面能夠在調控電磁波的同時實現數字信息處理。2019年來，基于可編程超表面實現了頻移鍵控、正交相移鍵控和正交幅度調制等多種不同調制方案的新型無線通信系統。由于在新架構通信系統實現和智能可控無線環境構建方面極具應用潛力，可編程超表面已成為IMT-2030框架下6G無線通信候選關鍵技術之一。

然而，目前構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，但不利于實現光電混合的多物理場超表面。因此，已有的基于電控可編程超表面搭建的無線通信系統通常僅能處理單一域的微波或毫米波信號，難以實現對跨越不同頻譜的多域信號的同時處理，限制了可編程超表面的進一步發展和應用。不同于有線電控方式，近年來提出并驗證了基于光電池和變容管聯合加載的光控可編程電磁超表面，實現用光來實時調控微波傳播特性，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，光并未攜帶數字信息，僅作為驅動控制信號完成微波在空間域中的動態調控。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用。

鑒于此，近日，東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士團隊的蔣衛祥教授等人聯合東南大學移動通信國家重點實驗室張在琛教授課題組、新加坡國立大學仇成偉教授，提出、設計并實現了基于光控時域電磁超表面的光到微波混合發射機，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，為超表面在通信領域中的應用提供了新的參考。

該成果以“A metasurface-based light-to-microwave transmitter for hybrid wireless communications”為題發表在  Light: Science & Applications。論文通訊作者為東南大學蔣衛祥教授、張在琛教授和崔鐵軍院士，共同第一作者為東南大學張信歌博士、博士生孫雅倫和朱秉誠副研究員，其他貢獻者包括東南大學本科生于千、博士生田翰闈以及新加坡國立大學仇成偉教授。該工作得到了國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項、國家自然科學基金、博士后創新人才支持計劃等項目的資助。

光控時域超表面

基于超表面的光到微波混合發射機的工作原理示意圖如圖1所示。光控時域電磁超表面接收到攜帶原始信息的光信號后，直接將其高效調制到入射微波載波上，再利用微波反射信號將原始信息發射出去。因此，該混合發射機的關鍵核心是設計具有超快響應速度的光控時域電磁超表面。

圖1：基于光控時域電磁超表面的光到微波混合發射機的工作原理示意圖

為了實現該目的，研究者設計了一種具有微秒級切換速度的高靈敏光電檢測電路，并將其有效集成在可編程電磁超表面的背面，從而構建相應的光控時域電磁超表面，研制的實驗樣品如圖2所示。

圖2：光控時域電磁超表面的樣品圖

該光電檢測電路是通過將級聯跨阻放大電路與光電池集成來實現，與直接用光電池來驅動變容管的方案相比，其切換速度提升了約10000倍。因此，光電檢測電路能夠將接收到的時變光強信號準確地轉換為周期電壓信號，用于控制可編程超表面中集成的變容管，從而實現對入射微波頻譜的實時調控。 

光到微波信號轉換

在上述光控時域電磁超表面上，通過快速切換光強信號的波形，可實時調控超表面反射微波的頻譜分布，其對應于數字調制技術中的頻移鍵控。因此，通過將數字比特“0”和“1”分別映射到兩種不同波形的周期光信號上，能夠完成對入射微波載波的實時調制，產生二進制頻移鍵控信號，從而實現光信號到微波信號的直接轉換。不同于傳統方法，該信號轉換方案無需將光信號先解調為基帶信號，再上變頻到射頻域這一復雜過程。此外，研究者還利用設計的超表面的色散特性，在其上挖掘并實現了基于頻分復用（名詞解釋>）的雙通道信號轉換。即該光控時域電磁超表面能夠將一路光信號中攜帶的兩種原始信息分別獨立地映射到兩個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

作為驗證，研究者基于上述超表面混合發射機搭建了一套雙通道的可見光到微波混合無線通信系統，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；（b）發射的雙路視頻信息；（c）接收解調的雙路視頻信息

該雙通道混合通信系統包括可見光發射模塊、光控時域電磁超表面和微波接收模塊。在實驗中，兩路視頻信息首先被調制到可見光信號上，光控時域電磁超表面接收到調制光信號后直接將兩路信息分別映射至兩個不同的入射微波載波上，兩路已調信號最后被微波接收模塊接收并解調恢復成原始視頻信息。實驗結果證明該混合無線通信系統能通過可見光鏈路和微波鏈路分別發射和接收信息，很好地實現了雙路視頻的獨立實時傳輸。該混合通信系統采用了可見光和微波兩種不同的載波進行信息傳輸，可利用兩種通信方式各自的優點，有望在某些特殊通信應用場景發揮重要作用。

該工作中研制的基于光控時域超表面的光到微波發射機有助于解決現有基于超表面的通信體制難以在單一平臺上同時處理光信號和微波信號的難題，為開發低成本、低復雜度和高效的新型混合通信系統奠定重要基礎，對提升超表面在下一代無線通信領域中的應用潛力以及探索新應用具有重要意義。

| 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

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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