Light | 超表面混合通信：让光与微波“双剑合璧”

注：本文由课题组供稿

从古代的“烽火传信”到近代的电报、电话，再到当今的第五代移动通信（5G），通信技术的迅速发展正在改变乃至革新人类生活的方方面面。“足不出户便知天下事”已成为人们熟悉的生活方式和流行趋势。随着5G的商用部署，很多国家已开始对第六代移动通信（6G）的研究。为了提供“万物智联”、“随时随地随心”的极致通信体验，未来6G的显著特点是“空-天-陆-海”一体化网络的全场景、全频段覆盖，在这种全景通信网络中，单一的通信方式显然已不能满足需求，迫切需要将基于光波、微波等不同载体的通信方式结合起来，发挥其各自优势。然而，如何实现多种不同通信方式的有机融合仍然面临诸多挑战，亟需利用新方法和新技术开发低成本、高效的混合通信系统。

近年来，可编程超表面由于能以数字编程方式实时调控电磁波而引起了研究者的强烈兴趣和广泛关注。可编程超表面于2014年由东南大学崔铁军院士及合作者率先提出并实现，通过现场可编程逻辑门阵列控制超表面（名词解释>>）。由于具有实时调控能力，可编程超表面不仅能够在空间域中调控电磁波的波束、波前等特性，还可以进一步在时间维度上操控电磁波的频谱分布，用于构建时域编码数字超表面。得益于此，可编程超表面能够在调控电磁波的同时实现数字信息处理。2019年来，基于可编程超表面实现了频移键控、正交相移键控和正交幅度调制等多种不同调制方案的新型无线通信系统。由于在新架构通信系统实现和智能可控无线环境构建方面极具应用潜力，可编程超表面已成为IMT-2030框架下6G无线通信候选关键技术之一。

然而，目前构造的可编程电磁超表面几乎全是电控型，电控方案虽然十分有效，但不利于实现光电混合的多物理场超表面。因此，已有的基于电控可编程超表面搭建的无线通信系统通常仅能处理单一域的微波或毫米波信号，难以实现对跨越不同频谱的多域信号的同时处理，限制了可编程超表面的进一步发展和应用。不同于有线电控方式，近年来提出并验证了基于光电池和变容管联合加载的光控可编程电磁超表面，实现用光来实时调控微波传播特性，如反射波束形变、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，光并未携带数字信息，仅作为驱动控制信号完成微波在空间域中的动态调控。此外，研制的光控可编程电磁超表面的切换速度较慢，难以在通信中获得良好应用。

鉴于此，近日，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士团队的蒋卫祥教授等人联合东南大学移动通信国家重点实验室张在琛教授课题组、新加坡国立大学仇成伟教授，提出、设计并实现了基于光控时域电磁超表面的光到微波混合发射机，并利用其搭建了一套新型的双通道光到微波混合无线通信系统，为超表面在通信领域中的应用提供了新的参考。

该成果以“A metasurface-based light-to-microwave transmitter for hybrid wireless communications”为题发表在  Light: Science & Applications。论文通讯作者为东南大学蒋卫祥教授、张在琛教授和崔铁军院士，共同第一作者为东南大学张信歌博士、博士生孙雅伦和朱秉诚副研究员，其他贡献者包括东南大学本科生于千、博士生田翰闱以及新加坡国立大学仇成伟教授。该工作得到了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划等项目的资助。

光控时域超表面

基于超表面的光到微波混合发射机的工作原理示意图如图1所示。光控时域电磁超表面接收到携带原始信息的光信号后，直接将其高效调制到入射微波载波上，再利用微波反射信号将原始信息发射出去。因此，该混合发射机的关键核心是设计具有超快响应速度的光控时域电磁超表面。

图1：基于光控时域电磁超表面的光到微波混合发射机的工作原理示意图

为了实现该目的，研究者设计了一种具有微秒级切换速度的高灵敏光电检测电路，并将其有效集成在可编程电磁超表面的背面，从而构建相应的光控时域电磁超表面，研制的实验样品如图2所示。

图2：光控时域电磁超表面的样品图

该光电检测电路是通过将级联跨阻放大电路与光电池集成来实现，与直接用光电池来驱动变容管的方案相比，其切换速度提升了约10000倍。因此，光电检测电路能够将接收到的时变光强信号准确地转换为周期电压信号，用于控制可编程超表面中集成的变容管，从而实现对入射微波频谱的实时调控。 

光到微波信号转换

在上述光控时域电磁超表面上，通过快速切换光强信号的波形，可实时调控超表面反射微波的频谱分布，其对应于数字调制技术中的频移键控。因此，通过将数字比特“0”和“1”分别映射到两种不同波形的周期光信号上，能够完成对入射微波载波的实时调制，产生二进制频移键控信号，从而实现光信号到微波信号的直接转换。不同于传统方法，该信号转换方案无需将光信号先解调为基带信号，再上变频到射频域这一复杂过程。此外，研究者还利用设计的超表面的色散特性，在其上挖掘并实现了基于频分复用（名词解释>）的双通道信号转换。即该光控时域电磁超表面能够将一路光信号中携带的两种原始信息分别独立地映射到两个具有不同入射频率的微波载波上，从而提升通信容量和效率。

双通道混合通信系统

作为验证，研究者基于上述超表面混合发射机搭建了一套双通道的可见光到微波混合无线通信系统，如图3所示。

图3：（a）搭建的双通道可见光到微波混合无线通信系统；（b）发射的双路视频信息；（c）接收解调的双路视频信息

该双通道混合通信系统包括可见光发射模块、光控时域电磁超表面和微波接收模块。在实验中，两路视频信息首先被调制到可见光信号上，光控时域电磁超表面接收到调制光信号后直接将两路信息分别映射至两个不同的入射微波载波上，两路已调信号最后被微波接收模块接收并解调恢复成原始视频信息。实验结果证明该混合无线通信系统能通过可见光链路和微波链路分别发射和接收信息，很好地实现了双路视频的独立实时传输。该混合通信系统采用了可见光和微波两种不同的载波进行信息传输，可利用两种通信方式各自的优点，有望在某些特殊通信应用场景发挥重要作用。

该工作中研制的基于光控时域超表面的光到微波发射机有助于解决现有基于超表面的通信体制难以在单一平台上同时处理光信号和微波信号的难题，为开发低成本、低复杂度和高效的新型混合通信系统奠定重要基础，对提升超表面在下一代无线通信领域中的应用潜力以及探索新应用具有重要意义。

| 论文信息 |

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

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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