近日，东南大学青年首席教授陈绩、首席教授张在琛、中国科学院院士尤肖虎团队在无线光通信领域取得突破性进展，团队发展了一套全新的微纳结构拓扑优化算法，设计出的自由形状超表面光束调制器，可将光束高效地（>80%）偏转到空间超广角范围（±80°），并国际上首次搭建了基于光学超表面的全双工高清视频通话系统。相关成果以“Shape-optimized metasurface beamformer for high-efficiency full-duplex optical wireless communications across an ultra-wide field-of-view.”为题，在线发表于《自然通讯》（Nature Communications, (2026). ）。
广角光束偏转的能效骤降问题
光束偏转（Beam steering）是无线光通信中的一项关键技术，其在信号发射端和接收端之间建立长距离、高速数据传输的通信链路。广角光束偏转技术可以极大提升系统的通信覆盖范围。该团队于2024年基于光纤阵列与广角超构透镜集成，实现了一种广角覆盖（±60°）的高速（28.8Tbps）并行无线光通信系统（Ji Chen et al. Nature Communications, 15, 7744 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52056-4）。工作突破了基于振镜和液晶空间光调制器的传统无线光通信系统，光信号覆盖角度范围、系统通信容量受限的瓶颈。
然而在探究中，研究团队发现常规形状的超表面结构尽管能满足广角光束偏转的相位调制需求，随着光束偏转角度增加，偏转光束能量效率却急剧降低（图1），严重影响大角度位置用户的通信质量。因此解决广角光束偏转的能效骤降问题，对于基于超表面的无线光通信系统的性能表现具有重要意义。
图1：常规形状超表面广角光束调控的能效骤降问题
自由形状高能效光束偏转超表面
针对上述问题，研究团队提出了利用具有更大参数优化空间的自由形状超表面来提升广角光束偏转效率。研究团队发展了一种全新的超表面形状优化方案，采用“先构型、后精化”的两阶段递进式优化策略（图2a），构建结构设计参数与加工可行性的约束机制，避免出现微小孔洞、锐利边缘等难以加工的结构特征（图2b）。不同偏转角下优化的结构均具有边界连续平滑、特征尺寸清晰的特点（图2c）。研究团队对优化的结构进行了双向偏转效率测试（图2d和e），结果显示80°偏转光束的效率双向均可达约80%，为后续高能效全双工视频通话系统的实现提供了原理支持。
图2：(a)两阶段递进式形状优化策略，(b)常规拓扑优化导致的难以加工的结构特征，(c)针对各偏转角度优化的平滑自由形状结构，(d,e)双向光束偏转效率测试
全双工低时延高清视频通话系统
研究团队国际上首次基于超表面搭建了全双工高清视频通话系统，系统采用“光-射频混合”架构，移动终端通过射频信号与基站连接，基站与核心网之间通过高能效的广角偏转光链路连接（图3a和b）。这一架构有效解决了超表面全光无线通信系统中，因光频段超表面难以动态调控导致的终端移动性受限的难题。研究团队对比了基于常规形状超表面调制的广角光链路与形状优化超表面调制的广角光链路的视频通话效果，结果显示形状优化超表面产生的高能效光束带来了明显的低时延和高流畅度（图3c）。值得一提的是，这一高性能表现不仅在室内短距离（2m）通信得到验证，在室外长距离（200m）通信场景中也得到了充分验证（图3d）。
图3：基于超表面的全双工高清视频通话系统(a)架构与(b)室内装置图，(c)形状优化超表面与常规形状超表面视频通话效果对比，(d)室外长距离光链路视频通话实验
进一步地，研究团队提出了一种阵列式排布策略，通过各角度优化的高能效结构方位角旋转与结构拼接，并与光纤阵列光源结合，可以实现高能效光束空间全向覆盖（图4）。极大提升系统的通信覆盖范围和通信容量。
图4：阵列式结构设计实现高能效光束空间全向覆盖
该研究是团队近年来基于光学超表面实现无线光通信实用系统的又一重要进展，与之前工作相比，更加注重在实际通信过程中的性能表现。研究所提出的超表面光束调制器件不仅具有优异性能表现，还具有超紧凑体积，易于集成到机器人、无人机等高移动性设备中，为工业物联网、低空无线专网等重要领域的发展提供有力的创新技术支持。
东南大学信息学院与紫金山实验室分别为该工作的第一和第二完成单位，东南大学信息学院博士生袁仲毅与陈绩教授为论文共同第一作者，东南大学信息学院陈绩教授、张在琛教授与尤肖虎院士为论文共同通讯作者，东南大学信息学院朱秉诚副教授与紫金山实验室王寅工程师对工作做出了重要贡献。该工作由国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等资助完成。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-70665-z
撰稿：课题组
