6G 光通信重大突破！东南大学 Nature 子刊：超构表面实现 160° 超大视场全双工高速通信

光学无线通信（OWC）凭借超大带宽、高速率、强抗电磁干扰等优势，被公认为 6G 核心关键技术。但长期以来，大角度波束偏转效率暴跌、视场受限、难以兼顾全双工与长距离传输，成为制约其走向实用的核心瓶颈。

2026 年，东南大学 / 紫金山实验室团队在《Nature Communications》发表重磅成果，提出两步形状优化策略，研发出形状优化超构表面（SOM），在80° 偏转角度下实现超 80% 效率，构建出超 160° 视场的全双工光无线通信系统，完成200 米远距离传输与225 Gbps 单通道速率的高清低延时视频通话，为 6G 全场景光联提供全新技术路径。

论文题目：Shape-optimized metasurface beamformer for high-efficiency full-duplex optical wireless communications across an ultra-wide field-of-view

发表期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-026-70665-z

第一作者：袁忠一（东南大学），陈吉（东南大学、紫金山实验室）

通讯作者：陈吉，尤肖虎，张在琛（东南大学、紫金山实验室）

其他作者：王寅、吴悦、李沐阳、陈盛健、陈传友

光学无线通信主要分为两种模式，如图 1a 与图 1b 所示：

发散光通信（如 Li‑Fi）：覆盖广但能量利用率极低，速率与距离严重受限；

准直光束通信：可高速长距传输，但必须依赖波束偏转实现广覆盖，对波束调控技术要求极高。

如图 1c 所示，在 5G/6G 的射频–光混合组网架构中，基站与核心网依赖光链路互联，大角度、高效率、全双工的波束成形能力直接决定网络容量与覆盖能力，这正是本研究要解决的核心问题。

图 1 | 基于超表面的 OWC 系统中的信号传输方法概述。

自由形态超构表面理论上可实现高效大角度偏转，但传统拓扑优化会产生过细结构、窄缝、锯齿边缘等无法加工的特征，导致实测性能大幅缩水。

团队原创两步形状优化算法，在保证光学性能的同时，让结构完全兼容现有微纳加工工艺，如图 2b 所示：

第一步：粗网格约束优化

以加工最小线宽为像素尺寸，基于伴随法梯度下降迭代，结合形态学优化与模糊操作，避免陷入局部最优，得到可制造的低分辨率初始结构；

第二步：精网格细化优化

加密网格提升设计自由度，用抑制掩码保留第一步的可制造特征，配合自适应形态学操作消除精细特征，最终得到光滑、可量产、高效率的自由形态超构单元。

以 60° 偏转优化为例，如图 2c 所示，第一步得到平均效率 64.96% 的结构，第二步最终实现81.43% 平均效率，关键结构间距保持 160 nm，远高于 50 nm 加工线宽，完美兼顾性能与工艺性。

如图 2d 所示，50°、60°、70°、80° 偏转的 SOM 样品电镜图与设计轮廓高度吻合，结构均匀完整，验证了优化方法的有效性。更重要的是，该结构具备光学互易性，正向大角度偏转与反向大角度入射耦合效率一致，为全双工通信奠定理论基础。

图 2 | 两步形状优化算法示意图。

图 3 | 形状优化超表面波束形成器性能表征。

如图 4a–c 所示，团队搭建 5G + 光混合全双工系统，实现低延时高清视频通话，SOM 链路流畅无卡顿，RSM 明显卡顿。

图 4 | 高效、宽视场、全双工 5G 视频通信系统演示。

如图 5a–c 所示，系统成功实现200 米远距离全双工无误码传输。如图 6a–c 所示，结合波分复用实现9×25Gbps=225Gbps超高速传输，所有通道性能稳定优异。

图5 | 通过200米、60°偏转的基于SOM的自由空间光通信链路实现的全双工视频通信系统演示。