近日，东南大学陈绩副教授、张在琛教授团队联合南京大学李涛教授、祝世宁院士团队在无线光通信领域取得新进展，设计了一种广角超表面分束器，可将144路光束调制偏转到空间全向120°视角范围的各方位，实现大视角范围的并行无线光通信，并利用密集波分复用等手段，使得整个系统达到数十Tbps的通信容量。相关成果以 “Tbps wide-field parallel optical wireless communications based on a metasurface beam splitter.” 为题，在线发表于《自然通讯》 (Nature Communications, 15, 7744 (2024). DOI:10.1038/s41467-024-52056-4)。
无线光通信与光束偏振调制
随着移动通信技术的不断发展，通信系统的功能越来越丰富，人们对通信系统的容量需求也越来越高。无线光通信（Optical Wireless Communication， OWC）是一种使用光波（通常是可见光、红外光）在空气中传输信息的通信方式。其能够提供非常高的带宽，支持高速数据传输，且频谱资源丰富，抗电磁干扰能力强，因此被认为是第六代移动通信（6G）中最有前景的技术之一。
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。传统的无线光通信系统中常用机械转动的反射镜、液晶空间光调制器等实现光束偏转，然而这些方式的光束偏转角度受限，且难以实现多路光束同时独立调控，因此严重影响无线光通信系统的性能和应用场景。
广角超表面分束器
本工作提出了一种光纤阵列与超表面结合的高集成光束偏转器件，如图1a所示。超表面的设计参考了研究人员在2022年所发展的广角超构透镜设计思想（Ji Chen et al. “Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array.” Optica 9, 431 (2022)，荣获2022年度中国光学十大进展）。通过对光纤出射的高斯光场进行分析，并利用广义斯涅尔定理，可获得广角超表面的调制相位。其可将光纤阵列不同位置出射的光场调制偏转到不同角度，光纤阵列所有路出射光可以被调制覆盖空间全向120°视角范围，如图1b所示。
图1，(a)超表面广角分束器设计示意图，(b)144路光束偏转实测图。
波分复用提升通信速率
为提高每一路信息传输速率，研究人员搭建了通信性能测试装置，如图2a所示，将8个25G密集波分复用光模块(DWDM-SFP25G-10, Cisco, 1546.92 nm (C38), 1547.72 nm (C37), 1548.51 nm (C36), 1549.32 nm (C35), 1550.12 nm (C34), 1550.92 nm (C33), 1551.72 nm (C32), and 1552.52 nm (C31))作为光源。每个光模块输出的光束携带一个长度为231-1的25Gbps开关键控(OOK)伪随机二进制序列(PRBS31)。这些光束通过波分复用器进行合并，合并后的光束携带总计200Gbps的信号，被引入光纤阵列中的一根光纤，并通过超表面调制到特定角度后，被接收端接收。接收信号解波分复用后，被进行性能分析。图2b展示了8个波长信号的比特误码率(BER)与光接收功率(ORP)的关系曲线。8个波长光表现出了相似的性能，验证了每一路信号密集波分复用的可行性。该方案使得整个通信系统可以具有高达200Gbps*144=28.8Tbps的通信容量。
图2，(a)光通信性能测试装置，(b)C31-C38波长信号测试得BER-ORP曲线。
偏振复用实现通信区域全覆盖
此外，通信区域全覆盖是移动通信的重要性能表现之一，通过精准调节光纤阵列与广角超表面的间距，可以改变信号覆盖范围，如图3a所示。图3b展示了区域全覆盖时光斑分布情况。然而该情况下，相邻路光斑存在一定面积的重合，这使得每一路用户接收信息时会受到来自相邻区域信号的干扰，影响通信性能。为解决这一问题，研究人员巧妙设计了偏振复用超表面，其对左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)入射光具有不同的光束调制特性，可以形成如图3c所示的复合光斑覆盖效果，保证区域全覆盖的同时，有效减小相邻区域的重合面积。用户在接收信号时，通过偏振滤波可以有效抑制其它区域的信号串扰。研究人员通过实验对比得到，在全覆盖情况下，利用偏振复用超表面，可以使得用户接收信号的信噪比提升一个数量级(10dB)，如图3d所示。
图3，(a)非偏振复用超表面有通信盲区，(b) 非偏振复用超表面通信区域全覆盖，(c)偏振复用超表面通信区域全覆盖，(d)偏振复用超表面（蓝线）与非偏振复用（橙线），其通信信号强度（中间峰）与干扰信号强度（边上四个峰）对比。
最后，研究人员搭建了基于广角超表面分束器的无线光通信系统原型，展示了两路并行传输不同高清视频的通信功能，如图4所示。该系统可用于如图5所示的室内无线通信场景。
图4，基于广角超表面分束器的无线光通信系统原型
图5，该工作可应用于的室内无线光通信场景
该研究充分利用了超表面超轻、超薄的尺寸优势，以及其对光相位和偏振的高效调制，有效解决了现有无线光通信系统在光束偏转角度、用户数量和通信速率等方面的限制，实现了一种同时具有广角通信范围、多用户独立通信、超高速率的高性能无线光通信系统，为未来无线光通信提供了一种全新的方法。
东南大学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吴悦与副教授陈绩为论文共同第一作者，东南大学陈绩副教授、张在琛教授及南京大学李涛教授为论文共同通讯作者，紫金山实验室王寅工程师对工作提供了重要技术支持，工作得到了南京大学祝世宁院士的重要指导。该工作由国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发专项、中国科协青年托举人才项目等资助完成。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52056-4
——课题组供稿
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