NOEIC超表面光無線通信成果在《Advanced Materials》發(fā)表

  隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)語音、圖像、視頻等數(shù)據(jù)信息的需求不斷增長(zhǎng)。無線通信技術(shù)已經(jīng)徹底的改變了人們的日常生活，特別是最近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)、短視頻、視頻直播等應(yīng)用的廣泛普及，人們對(duì)無線通信的傳輸速率和容量需求呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)。利用近紅外光束進(jìn)行自由空間通信的光無線通信(Optical Wireless Communication，OWC)可以提供超高傳輸速率和超大的傳輸容量，并且能與當(dāng)前的光纖入戶網(wǎng)絡(luò)兼容，因而受到越來越多的關(guān)注。

  采用紅外光束作為載波的光無線通信，其核心技術(shù)是對(duì)紅外光束進(jìn)行精確、獨(dú)立的二維操控，以滿足基站信號(hào)傳輸?shù)降孛娑鄠€(gè)用戶終端。目前的光束調(diào)控方法如微機(jī)電系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)鏡、空間光調(diào)制器等傳統(tǒng)光電器件在光無線通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展。然而隨著接入無線系統(tǒng)的用戶數(shù)目的不斷增加，傳輸系統(tǒng)復(fù)雜度、整體成本也在不斷增加，業(yè)界期望一種新型的光電子器件，能夠使得光無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊、更易于集成、成本更低。近年來，隨著相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，超表面(metasurface)由于其集成化、小型化、可大規(guī)模工業(yè)的優(yōu)勢(shì)得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注。

  國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心余少華院士和肖希博士團(tuán)隊(duì)，與鵬城實(shí)驗(yàn)室、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢大學(xué)及中科院微電子所開展聯(lián)合攻關(guān)，研制出可量產(chǎn)化的硅基超表面廣播天線芯片，搭建了國(guó)際上首個(gè)基于超表面的高速全雙工光無線廣播通信系統(tǒng)。

圖1：基于超表面的室內(nèi)高速全雙工光無線廣播通信應(yīng)用示例

  該超表面廣播芯片可以把入射光束均分為14個(gè)子光束，其中包含左旋偏振光7束，右旋偏振光7束。信號(hào)下行傳輸時(shí)，每個(gè)子光束傳輸包含10個(gè)波長(zhǎng)的WDM信號(hào)、每個(gè)波長(zhǎng)調(diào)制10Gb/s的NRZ信號(hào)，則下行傳輸?shù)膹V播速率高達(dá)1.4Tb/s(10Gb/s ×10 波長(zhǎng)×14路)。信號(hào)上行傳輸時(shí)，地面用戶利用各自波長(zhǎng)傳輸10 Gb/s的NRZ信號(hào)，利用光波豐富的頻譜范圍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超表面輔助波束控制和通信信號(hào)加載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到多點(diǎn)高速全雙工光無線通信。超表面芯片的有效尺寸小至2mm×2mm，對(duì)于集成化和大規(guī)模應(yīng)用帶來了便利。該系統(tǒng)不僅是對(duì)超表面實(shí)現(xiàn)光無線通信應(yīng)用的原理性驗(yàn)證，而且可解決現(xiàn)有光無線系統(tǒng)依賴于傳統(tǒng)光學(xué)元件的波束控制方法無法兼顧大的波束控制角、任意的通道數(shù)和小型化等難點(diǎn)問題。

圖2：室內(nèi)高速全雙工光無線通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(左：下行傳輸時(shí)的發(fā)射光譜和接收光譜;右：上行傳輸時(shí)的發(fā)射光譜和接收光譜)

  聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)嘗試在248nmDUV光刻、180nm節(jié)點(diǎn)的CMOS工藝平臺(tái)上試驗(yàn)批量制造超表面并取得成功。研究人員在標(biāo)準(zhǔn)的8英寸SOI晶圓上制造出令人滿意的超表面圖形，驗(yàn)證了利用CMOS工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)超表面芯片的能力和與其他有源和無源功能光電元件進(jìn)行單片集成的可能性，展示了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的潛力。該工作將進(jìn)一步推動(dòng)超表面器件和光無線通信技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。該成果發(fā)表在國(guó)際著名期刊 《Advanced Materials》上， 題為 Mass-manufactured beamsteering metasurfaces for high-speed full-duplex optical wireless broadcasting communications。

圖3：8英寸SOI硅片上批量制造的超表面芯片

  論文信息：Tao, J., You, Q., Li, Z., Luo, M., Liu, Z., Qiu, Y., Yang, Y., Zeng, Y., He, Z., Xiao, X., Zheng, G. and Yu, S. (2021), Mass-manufactured beam-steering metasurfaces for high-speed full-duplex optical wireless broadcasting communications. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2106080.

  https://doi.org/10.1002/adma.202106080