撰稿|由课题组供稿
随着5G技术的大规模商用，全球业界已开启对下一代移动通信技术（6G）的研究探索。信息的精确传递和信号的集中增强是6G技术的关键课题。近日，香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室和电机工程学系的陈志豪教授和蔡定平教授共同领导的合作团队在Science Advances上发表题为“A 6G meta-device for 3D varifocal”的研究文章。该工作着眼于 6G 无线通信的发展要求，提出了一种旋转超构表面技术来控制太赫兹波束的辐射方向和覆盖区域，包括(1)在二维平面中引导艾里光束聚焦至任意位置；(2)调控高斯波束的焦点在三维空间中的任意位置。这项技术有望为未来6G 通信系统提供高灵活性、高方向性、高信号集中度和高安全性的太赫兹波束调控手段。
第五代（5G）无线通信技术正在快速发展并在全球范围内广泛商用，第六代（6G）通信技术研发的发令枪已经打响。未来 6G 移动通信系统将充分探索所有频谱，以提供更高的数据速率，包括可见光、太赫兹 (THz)、毫米波和 sub-6 GHz波段等。与光学频段相比，太赫兹频段可以穿透部分遮挡，实现非视觉场景下的高精度成像和感知。太赫兹频段技术拥有丰富的频谱资源，可以支持无线通信中100Gbps甚至Tbps级别的超高速数据速率，比5G中毫米波的传输数据速率高出数百到数千倍。基于这些优势，发展基于未来6G技术需求的太赫兹技术势在必行。
本工作实验验证了一种可调焦点范围为整个平面或完整三维空间的可变焦太赫兹超构器件的新设计。研究团队通过在多个超构表面上合理地分布若干相位分布，即立方相位、梯度相位和聚焦相位，并通过超构表面的旋转来实现对入射波束的不同调制。作为概念验证，本工作展示了两种超构器件，以验证操纵波前和任意聚焦的能力。双片超构表面组成的超构器件用于控制在二维平面上聚焦的艾里光束；三片超构表面组成的超构器件是为三维空间中的焦点操纵而开发的。这两个超构器件的示意图如图 1 所示。他们能够使焦点在不同的检测器之间快速切换，为未来的6G通信系统提供了高灵活性、高方向性和高信号集中性能。除了焦点的任意操纵之外，艾里光束的无衍射、自愈、自加速特性可以提高无线通信中信号传输的稳定性和安全性。简而言之，无衍射特性意味着信号可以在更长的距离内持续传输。自我修复功能有助于在中断后快速恢复信号；自加速性能使信号能够避免窃听行为发生。这些突破将有助于 6G 通信技术的发展，使其更加稳健可靠。图2是超构天线和超构器件相位分布的设计。图3是实验装置和3D打印加工得到的样品。图4和图5分别是所设计的两种超构器件的实验验证。
图1 可变焦超构器件的示意图。
图2 可变焦超构器件的工作原理。(A) 超构天线的传输特性。(B) 超构天线的示意图。(C) 用于可变焦艾里光束的超构器件的相位设计。(D) 用于在三维空间中操纵焦点的超构器件的相位设计。
图3 可变焦超构器件的实验验证。 (A) 用于表征可变焦超构器件的实验装置。 (B) 实验装置的框图 (C) 用于可变焦艾里光束的超构器件的加工样品。 (D) 用于在三维空间中操纵焦点的超构器件的加工样本。 (E) 手持超构器件的视图。 (C, D) 中的比例尺为 5 毫米。
图4 用于生成可变焦艾里光束的超构器件性能的实验验证。 (A) 焦点调制范围的图示。所有点均基于理论分析进行数值计算，并选取实心点在实验中进行验证。 (B) 理论上和 (C) 实验上可变焦艾里光束在 x-y 平面上的强度分布。比例尺为 10 毫米。 (D) 理论上和 (E) 实验上可变焦艾里光束在 x-z 平面上的强度分布。入射方向朝向正 z 轴。
图5 用于三维空间中焦点操纵的超构器件性能的实验验证。 (A-C) 当焦距设置为 (A) 60 毫米、(B) 50 毫米和 (C) 40 毫米时，x-y 平面中焦点调制范围和强度分布测量结果。所有点都是根据理论分析进行数值计算，并选取实心点在实验中进行验证。比例尺为 5 毫米。 (D-F) 当焦距设置为 (D) 60 毫米、(E) 50 毫米和 (F) 40 毫米时，x-z 平面中的实验上（顶部）和理论上（底部）的强度分布。入射方向朝向正 z 轴。
陈志豪，香港城市大学讲席教授，IEEE Fellow，香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室主任，长期致力于计算电磁学、毫米波电路与天线、太赫兹器件的研究。曾获美国国家科学基金会总统青年研究员奖（1991年）及国家自然科学基金委香港和澳门青年学者联合研究基金（2004年）。2011年获国家技术发明二等奖（排名第二）、2019年荣获IEEE天线与传播分会Harrington-Mittra 计算电磁学奖（国际CEM领域最高荣誉之一）及美国伊利诺伊大学电气和计算机工程杰出校友奖。
蔡定平，香港城市大学电机工程学系讲席教授，博士生导师，多年来致力于纳米光子学及光电物理领域前沿的实验与理论工作，积累了丰富的研究成果。在Science, Nature Nanotechnology, Physics Review Letters, Advanced Materials, Science Advances, Light: Science & Applications, Nature Communications, Nano Letters, Nano Energy等国际期刊发表论文共353篇、专书（或专书节章）及会议论文共65篇、技术报告及其它论文共38篇、国内外（美国、加拿大、日本及德国）专利共45项（69个）。先后当选中国光学学会(COS)、美国科学促进会(AAAS)、美国物理学会(APS)、国际电子电机工程师学会(IEEE)、光学学会(Optica)、国际光电工程学会(SPIE)、电磁科学院(EMA)、日本应用物理学会(JSAP) 、和亚太人工智能学会(AAIA)的会士(Fellow)。也先后当选亚太材料科学院(APAM)院士、俄罗斯国际工程学院(IAE)院士和美国国家发明家科学院(NAI)院士。曾荣获四十多项荣誉与奖励，包括：2020年度和2018年度中国光学十大进展、2020年和2019年全球高被引科学家(Web of Science Group/ Clarivate Analytics)、2018年国际光电工程学会(SPIE)墨子奖，以及多届国际学术会议最佳论文奖。迄今在国际会议作过326余次特邀报告（包含20 场全体会议和 61 场主题演讲），是光子学评论（Photonics Insights）及光：先进制造（Light: Advanced Manufacturing）的编辑，也担任12个国际期刊的编辑委员，多项国际知名期刊的文章审稿人。
Jing Cheng Zhang†, Geng-Bo Wu†, Mu Ku Chen†, Xiaoyuan Liu, Ka Fai Chan, Din Ping Tsai*, and Chi Hou Chan*, “A 6G Meta-device for 3D Varifocal.” Science Advances 2023, 9(4): eadf8478.
论文网址：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8478
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