江南大学王继成团队与中国矿业大学杨玉婷团队提出了一种面向B5G通信的可调高容量角态编码光子晶体结构。将具有独特拓扑特性的光子晶体构建为阵列，使光波特定频率局域在结构的角落处。这种特性实现了角态编码器对光波的精确局域化控制。该研究工作采用融合卷积神经网络（CNN）与长短期记忆网络（LSTM）的混合深度学习架构，可精准预测不同结构参数配置下光子晶体阵列在B5G频段内的角态编码性能。利用嵌套的单框架光子晶体阵列，通过调节四个激励源的相对相位，选择性增强或抑制每个角部的局域态。仿真和实验结果共同验证了四比特二进制编码在B5G通信中的精准调控。此外，开发了一种基于角态编码的双平面加密系统，显著提升了B5G通信的效率、安全性和实际应用能力。相关工作以“High-Capacity Corner State Encoding and Dual-Plane Switching Encryption based on Topological Photonic Crystals”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。
5G技术通过提供更高的数据速率、更强的连接性和更大的网络容量，显著推动了无线通信的发展。然而，随着近期通信需求的快速增长，5G无法完全满足不断攀升的超高数据速率和近乎实时的低时延需求。这些不足加速了超越5G（Beyond-5G, B5G）系统的开发。B5G的关键发展方向之一是其可提供极大的带宽和显著的数据容量，对于未来无线网络至关重要。然而，毫米波的实际部署面临严重的信号衰减和环境干扰等挑战，迫切需要先进的光学控制技术等创新方法以提升传输性能。与此同时，拓扑光子学是一门新兴学科，利用拓扑保护态对光进行鲁棒操控，为当代通信领域的挑战提供了创新解决方案。拓扑光子晶体具有周期性结构，可产生光子带隙，这对光通信与信号处理应用至关重要。研究表明，这些拓扑绝缘体支持边缘态和角态，并且对制造缺陷具有极强的鲁棒性，这种特性显著增强了它们的实际应用潜力。对高阶拓扑态的研究开辟了拓扑光子学的新方向，为设计适用于B5G通信的稳定光学谐振腔奠定了坚实基础。拓扑光子晶体角态独特的物理特性，特别是其在编码传输方面的潜力，为下一代通信技术提供了重要机遇。
图1展示了所选24.75–27.5 GHz的B5G通信频段内利用拓扑角态进行编码的方法。提出了一种精密的编码机制：通过在单帧内调控四个激发源之间的相位差，可精确、任意地调整拓扑光子晶体中四个角落处角态的位置。这种动态控制使得每个角态可被编码为二进制“1”(存在角态)或“0”(不存在角态)，从而构建出高容量的编码器。该方法充分利用了角态的鲁棒性和可调性，大幅提升了B5G通信的效率和实用性。
图1. 角态编码在超5G通信中的应用：通过在单帧内调控四个激励源之间的相位差，可动态调整四个角落处的角态位置。每个角态可被编码为“1”（存在）或“0”（不存在），从而实现高容量编码器的构建。
图2展示了设计的氧化铝基光子晶体板及其单胞结构。图2(a)为光子晶体板外观及其单胞插图。图2(b)展示了两种光子晶体(PCI: x1 = y1= 2.75 mm; PCII: x2 = 0 mm, y2 = 2.75 mm)的能带结构。PCI 能带图插图标出了第一布里渊区内的扫描路径Γ-M-X/Y-Γ；PCII在第六能带之上拥有完整带隙，而PCI则没有。(c) 第六与第七能带带隙宽度随外周柱位置(x0,y0)变化的曲线。图2(d)列出了 PCI 与 PCII 在Γ、M、X、Y四个高对称点处前八条能带的奇偶性分布，并在右侧展示了第六能带在三个代表性高对称点(Γ、M、X)的Ez场分布模式。数据表直观呈现了PCI与PCII在带隙以下六条能带于各高对称点处的不同奇偶组合：PCI 的第1、4、5条带在所有点均为偶(+)；第2、3条带为奇(–)；第6条带在Γ点为偶(+)，但在X/Y与M点为奇(–)。而PCII的第6条带则在Γ与M点为偶(+)，在 X/Y 点为奇(–)。特别地，第6条带在M点的奇偶性由 PCI 的奇(–)翻转为PCII的偶(+)，这一变化正是驱动拓扑相变的关键因素。图2(d)表格右侧的三幅Ez场分布可视化图(Γ–6、M–6、X–6)进一步凸显了PCI与PCII在各高对称点处的场型差异，与其奇偶性变化高度一致。
图2(a)本研究中采用的氧化铝基光子晶体板，插图显示了其单元胞结构。(b) PCI 与 PCII 的能带结构，PCI能带图中插入了第一布里渊区内的扫描路径示意。(c)、通过改变单元胞内外围氧化铝柱位置得到的第六、第七能带带隙宽度与柱子位置的关系图。(d) PCI与PCII在高对称点（Γ、M、X/Y）处的奇偶性分布，右侧展示了第六能带的 Ez 电场分布图。
图3(a)展示了由 PCI 与 PCII 拼接而成的L形单角结构，该结构利用光子晶体的拓扑特性在角落处产生局域化角态。当靠近角落的两光源相位相同（相位差为0）时，在25.81GHz处会出现稳定的角态。该频率位于 B5G 波段内，表明此拓扑设计适用于毫米波通信。角态在这一精确频率处的出现，证明了拓扑光子晶体在制造误差下依然能够维持局域化态的能力，这对 B5G 网络中的可靠信号处理至关重要。相反，若将两光源相位差设为π，则如图3(b)所示，25.81 GHz 处的角态即被消除。此相位依赖性行为凸显了拓扑光子晶体系统的动态可控性，可通过相位切换实现角态的“开/关”二值编码。图3(c)给出了图3(a)中角态电场强度幅值与两激发源频率同时变化时的关系曲线。图3(d)则在固定频率25.81 GHz下，以相位差为横坐标绘制角态电场强度幅值曲线，为通过相位调节实现角态调制提供了定量依据。
图3 (a)由PCI与PCII拼接而成的L形单角结构。当靠近角落的两个激发源相位相同时（相位差为0），在25.81GHz处出现稳定的角态。(b) 将角落处两激发源的相位差调整为π，可使25.81GHz处的角态消失。(c)B5G波段内角态的电场能量幅值随频率的变化曲线，其中浅黄色区域标出了角态幅值显著增强的频率范围。(d)在固定频率25.81GHz下，角态电场强度幅值随两相邻角落激发源相位差的变化曲线，黄色竖线对应角态强度达到明显峰值的位置。
为了进一步研究光子晶体结构参数与角态编码性能之间的非线性耦合关系，引入了一种融合卷积神经网络（CNN）与长短期记忆网络（LSTM）的混合深度学习架构，如图4所示。该架构能够对图3所示的单角阵列结构中的角态进行精确预测：其中，CNN层有效提取光子晶体阵列中局部空间特征和结构微小变化，而LSTM层则捕捉频率响应曲线中的时序依赖性。与纯CNN架构和通常需要更大数据量与更高计算成本的Transformer模型相比，该混合模型在预测精度和计算效率上均具有显著优势。此外，通过动态L2正则化、dropout和批量归一化等鲁棒的正则化技术，有效缓解了传统方法中常见的参数敏感性问题。仿真结果与预测结果的高度一致，不仅证明了模型的高预测精度，也凸显了该混合深度学习架构在降低计算资源消耗、加速参数优化及增强方法实际可用性方面的显著优势。
图4 (a)融合卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)的混合深度学习架构示意图。(b)在y1=2mm且x2=y2=2.5mm条件下，x1从0 mm变化到4.5mm时，仿真得到的B5G波段角态电场能量幅值二维等高面图。(c)架构(a)中混合模型的损失函数曲线，经过200个迭代周期后收敛至 5 × 10-4。(d)在与(b)相同参数条件下，混合深度学习架构预测的B5G波段角态电场能量幅值二维等高面图。
图5(a)构建了一个14×14的嵌套光子晶体阵列，由PCI和PCII拼接而成，以实现高容量的角态可调性。该阵列具有方形边界框，四个激励源分别放置于边界四条边的中点，工作频率为25.81GHz。阵列下方标注了PCI和PCII的基本单元结构。图5(b)–(e)分别展示了在图5(a)所示的四个激励源相位差变化下，四个角落处角态电场幅值的三维响应。3D坐标系的x、y、z轴分别对应角2、角3、角4相对于角1的相位差，颜色映射角态电场幅值的大小，直观地呈现了相位调节如何影响各角的局域化态强度。图5清晰地表明，通过精确调控激励源之间的相位差，可在每个角落实现角态的增长或抑制，从而验证了角态的高灵活性与可控性。
图5(a)嵌套的14×14光子晶体阵列，由PCI和PCII拼接而成。四个激励源放置在中央边界框四条边的中点(激励源工作频率为25.81GHz)。阵列下方标注了两种光子晶体的基本单元结构。(b–e) 分别绘制了在(a)中通过改变四个激励源的相位差得到的四个角落处的角态电场幅值响应。3D 图中x、y、z轴分别表示角2、角3和角4相对于角1的相位差，颜色映射对应角态电场幅值大小。
图6在B5G通信中进一步拓展了角态的编码应用。若在某一角落处检测到明显的角态，则该角编码为“1”，否则编码为“0”。激励源在固定频率25.81 GHz下工作。通过调节位于中央边界框四条边中点的四个激励源的相位差，可动态控制各角态的生成与抑制。将四个角的编码状态按逆时针顺序排列即可形成一个四比特二进制码。图6(b)展示了十六种单帧角态二进制编码情形(从“0000”到“1111”)，这些情形均通过系统地改变图 6(a)中四个激励源的相位差得到。每种情形对应一种由“1”(激活)和“0”(抑制)组成的独特角态组合，涵盖了所有可能的四比特二进制码。这一全面的编码能力凸显了拓扑光子晶体系统的灵活性与可扩展性，非常适合满足 B5G 通信对高数据率与低时延的需求。
图6单帧角态编码实现示意图。(a)基于图5所示结构，当某一角落处出现明显的角态时，该角编码为“1”，否则编码为“0”。通过调节四个激励源的相位，可动态生成或抑制各角的角态，并按逆时针顺序将四个角的编码状态组合成一组四比特二进制码。(b)通过系统地改变图5(a)中四个激励源的相位差，可实现从“0000”到“1111”的十六种单帧角态二进制编码情形。
为了验证高容量拓扑角态编码的可行性，构建了如图7(a)所示的由 PCI 和 PCII嵌套组成的14×14单框架阵列。光子晶体阵列尺寸为154×154mm²，每根氧化铝柱高3 mm。四个激励天线通过底部铝板四条边中点处的孔洞插入，通过调节连接天线的同轴电缆长度，实现对四路激励信号相位差的精确控制。图7(c)展示了在激励源相位设为 I0、I0、I0+π、I0时测得的Ez分量电场分布，清晰地反映出‘1001’的角态编码；图 7(d)展示了‘0101’编码；图 7(e)则展示了‘1011’编码场图。由于实验样品的制造误差，不同角态出现的最优频率可能略有偏移。图7(f)–(h)为在上述三种编码对应频率附近，各角落电场强度随频率的变化曲线。
图 7 单框架角态二进制编码控制的实验验证。(a)实验构建的 14×14 嵌套阵列结构示意图。蓝色区域为吸波材料，用以模拟散射边界；上下两层为穿孔铝板，中间绿色和红色部分分别对应 PCI 和 PCII 两种光子晶体阵列布局。(b)阵列的实验布局示意图，插图为覆盖穿孔铝板后的俯视图。(c-e)当四路激励源相位设置不同时，分别测得的 Ez 分量电场分布对应编码“1001”、“0101”和“1011”。(f–h)在(c)–(e)中观测到清晰角态的工作频点附近，各角落的电场强度随频率变化曲线。
开发了一种拓扑光子系统的实用化应用：如图8所示的双平面角态加密系统，用于保障B5G通信的安全性。该系统通过引入两个逻辑平面(α和平面β)大幅扩展了原有4比特二进制编码的容量，使 26 个英文字母均可通过动态平面切换予以表示。加密过程中，“0000”与“1111”分别作为特殊切换码，用于在α、β两平面间转换，而“1110” 则被用作跳过功能以提升安全性。如图8中 “CORNER” 这样的信息，可通过在两套码本平面之间动态切换，并结合拓扑角态的固有鲁棒性进行加密，从而为B5G通信提供既高容量又具强安全性的解决方案。
图 8 双平面角态加密系统在 B5G 频段的示意图。
该团队提出了一种面向B5G通信的可调高容量角态编码光子晶体结构。通过将具有不同拓扑性质的光子晶体阵列化，能够在角落处实现特定频率光的精准局域化，从而实现角态编码。采用融合CNN与LSTM的混合深度学习架构，对不同结构配置下的光子晶体角态编码性能进行精确预测。借助嵌套的单框架光子晶体阵列，我们通过调节四个激发源的相对相位，有选择地增强或抑制各角落的局域态。在固定频率下，演示了16种四比特二进制编码（‘0000’-‘1111’）的可行性，并通过实验结果验证了该高容量角态编码方法的实用性。此外，设计并实现了一个双平面角态加密系统，以突破4比特编码的容量限制：通过特殊控制码‘0000’和‘1111’动态切换两套逻辑平面(α、β)，将编码空间扩展至32种组合。单框架14×14阵列能同时、独立地产生四个零维角态，并可在不互相干扰的情况下任意开关。双平面方案结合了完整的26字母加密表及跳过码，构建了高效、安全的多层次加密机制，并可通过时变码本和频率调节进一步增强安全性。总体而言，该系统解决了下一代无线通信中的关键挑战，为未来大容量、低时延、可靠安全的B5G应用提供了切实可行的光子解决方案。
江南大学理学院研究生孙航为该论文第一作者，中国矿业大学材料与物理学院研究生吴婉婷为该论文共同第一作者。江南大学王继成教授和中国矿业大学杨玉婷教授为论文共同通信作者。论文合作者为江南大学胡征达、吴晶晶，南京理工大学李梦泽，白俄罗斯戈梅利国立大学Sergei Khakhomov教授。该工作得到国家重点研发计划国际合作交流项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省先进光学制造技术重点实验室的大力支持。
文章链接：
http://doi.org/10.1002/lpor.202501103
