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(shù)的迅速發(fā)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(lián)”、“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-海”一體化網(wǎng)絡(luò)的全場景、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。然而，如何實現(xiàn)多種不同通信方式的有機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)字編程方式實時調(diào)控電磁波而引起了研究者的強烈興趣和廣泛關(guān)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(xiàn)，通過現(xiàn)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(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，還可以進一步在時間維度上操控電磁波的頻譜分布，用于構(gòu)建時域編碼數(shù)字超表面。得益于此，可編程超表面能夠在調(diào)控電磁波的同時實現(xiàn)數(shù)字信息處理。2019年來，基于可編程超表面實現(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)實現(xiàn)和智能可控無線環(huán)境構(gòu)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(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，但不利于實現(xiàn)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(tǒng)通常僅能處理單一域的微波或毫米波信號，難以實現(xiàn)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(fā)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?nèi)莨苈?lián)合加載的光控可編程電磁超表面，實現(xiàn)用光來實時調(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)動控制信號完成微波在空間域中的動態(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(wèi)祥教授等人聯(lián)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(shè)計并實現(xiàn)了基于光控時域電磁超表面的光到微波混合發(fā)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(tǒng)，為超表面在通信領(lǐng)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(fā)表在  Light: Science & Applications。論文通訊作者為東南大學蔣衛(wèi)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(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學問題”重點專項、國家自然科學基金、博士后創(chuàng)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(fā)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(diào)制到入射微波載波上，再利用微波反射信號將原始信息發(fā)射出去。因此，該混合發(fā)射機的關(guān)鍵核心是設(shè)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(fā)射機的工作原理示意圖

為了實現(xiàn)該目的，研究者設(shè)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(gòu)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(lián)跨阻放大電路與光電池集成來實現(xiàn)，與直接用光電池來驅(qū)動變?nèi)莨艿姆桨赶啾龋淝袚Q速度提升了約10000倍。因此，光電檢測電路能夠?qū)⒔邮盏降臅r變光強信號準確地轉(zhuǎn)換為周期電壓信號，用于控制可編程超表面中集成的變?nèi)莨埽瑥亩鴮崿F(xiàn)對入射微波頻譜的實時調(diào)控。 

光到微波信號轉(zhuǎn)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(diào)控超表面反射微波的頻譜分布，其對應于數(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上，能夠完成對入射微波載波的實時調(diào)制，產(chǎn)生二進制頻移鍵控信號，從而實現(xiàn)光信號到微波信號的直接轉(zhuǎn)換。不同于傳統(tǒng)方法，該信號轉(zhuǎn)換方案無需將光信號先解調(diào)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(shè)計的超表面的色散特性，在其上挖掘并實現(xiàn)了基于頻分復用（名詞解釋>）的雙通道信號轉(zhuǎn)換。即該光控時域電磁超表面能夠?qū)⒁宦饭庑盘栔袛y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(tǒng)

作為驗證，研究者基于上述超表面混合發(fā)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(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(diào)制到可見光信號上，光控時域電磁超表面接收到調(diào)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(diào)信號最后被微波接收模塊接收并解調(diào)恢復成原始視頻信息。實驗結(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，很好地實現(xiàn)了雙路視頻的獨立實時傳輸。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行信息傳輸，可利用兩種通信方式各自的優(yōu)點，有望在某些特殊通信應用場景發(fā)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(fā)射機有助于解決現(xiàn)有基于超表面的通信體制難以在單一平臺上同時處理光信號和微波信號的難題，為開發(fā)低成本、低復雜度和高效的新型混合通信系統(tǒng)奠定重要基礎(chǔ)，對提升超表面在下一代無線通信領(lǐng)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(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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