崔铁军院士团队在光驱动可编程超表面研究取得重要进展

来源：两江科技评论

导读

近日，东南大学崔铁军院士研究团队和新加坡国立大学仇成伟教授及新加坡南洋理工大学罗宇教授合作，提出、设计并实现了一种可对电磁功能进行编程的光驱动数字编码超表面。在该光驱动数字超表面平台上，能够用可见光强度实时调控微波的反射相位响应，解决了以往多通道电控超表面需要大量复杂物理导线连接带来的微波信号与直流信号串扰难题，同时实现了非接触式远程可编程调控，为高度集成化的远程可编程超表面系统的研制奠定了基础。

相关研究成果以An optically driven digital metasurface for programming electromagnetic functions为题发表在Nature Electronics上。论文通讯作者为东南大学蒋卫祥教授、崔铁军教授、及新加坡国立大学仇成伟教授，第一作者为东南大学博士生张信歌。

研究背景

超表面是由大量亚波长单元在二维平面上周期或非周期排布而构成的人工结构阵列，能够对电磁波进行灵活操控。由于超表面具有超薄结构和较强的可自主设计性而受到广大研究者青睐。特别是有数字编码超表面，能够在单一平台上完成对电磁波的多功能可编程调控。在微波频段，构建数字编码超表面的常用方法是在超表面单元中加载半导体器件（例如PIN二极管和变容管），然而这种方法一般需要大量导线、外部电源和复杂控制电路提供直流控制信号来驱动超表面，且外部电源和控制器必须通过导线和超表面相互连接，会增加系统体积，也会带来直流和微波信号间的串扰。

不同于有线的电控方式，无线的光控方式最近被提出和应用于微波动态超表面的调控（相关成果于2018年发表在Advanced science，DOI: 10.1002/advs.201801028和Applied physics letter，DOI: 10.1063/1.5045718）。然而，已实现的微波段光控超表面是窄带的，且只能整体或者在一维方向上实现调控，大大限制了数字编码超表面的可编程性。无线通信的快速发展和日益复杂的电磁环境对电磁器件和系统的多任务处理能力和集成化要求越来越高，因此设计和实现高度集成化、且具有强可编程能力的电磁器件和系统是一个研究热点，但在微波波段构建可编程性强、宽带、且可无线远程调控的数字编码超表面依存在一定困难。

创新研究

为了克服上述困难，该工作通过将多个独立的基于硅光电池的光传感网络集成在精心设计的基于变容管的超表面背后，设计了一款超紧凑的宽带光控可编程数字超表面平台。设计的光传感网络能够接收不同强度的可见光，然后产生不同的偏置电压，进而调控宽带超表面的微波反射相位。通过接收不同的光照图案，在该光控可编程数字平台口径上能实时产生不同的相位分布，进而实现种类不同的电磁功能。

在具体的演示实例中，设计制作的光驱动可编程数字平台包含6x6个子阵列，每个子阵列包含4x4个亚波长宽带超表面单元和集成在它们背后的光传感网络。光传感网络包含22个以弯曲线方式串联排布的硅光电池，并且每个光传感网络可以被独立照射。为了远程控制所加工的光驱动可编程数字平台，研究者还设计制作了一台包含6x6个射灯的光源阵列。实验在微波暗室中进行测试，研究者用不同的光照图案照射该数字平台实现了微波外部隐身、电磁幻觉和动态涡旋波束调控等功能，实验结果与数值仿真结果都验证了该平台的可编程性。由于集成的光传感网络既能充当外部直流电源，也能充当控制器，因此与传统的包含外部电源、大量导线和控制器的电控超表面相比，所研制的光驱动可编程数字超表面平台具有重量轻、结构紧凑且可无线远程调控等优点。另外，此类光驱动可编程数字平台作为一种电子桥梁连接了光输入和微波输出，且验证了可以用标量光强度控制矢量微波的可行性，有望为未来发展先进光电混合器件和可见光与微波融合通信系统等提供新的技术方案。

图文速览

图1：光驱动可编程数字超表面平台示意图

该光驱动可编程数字平台包含6x6个子阵列，每个子阵列包含4x4个亚波长宽带超表面单元和集成在它们背后的光传感网络。超表面单元的谐振特征可以用等效的RLC电路分析。当可见光照射到该数字平台背后时，光传感网络能将不同强度的可见光图案转换为不同的偏置电压，然后调控超表面单元的谐振状态，进而调控超表面的微波反射相位，实现微波外部隐身、电磁幻觉和动态涡旋波束产生等功能。

图2：子阵的实现和超表面单元的仿真性能

（a）超表面单元的转换等效电路模型。

（b）设计的宽带可编程超表面单元的三维模型。

（c）该超表面在不同电容值下的仿真反射相位随频率变化曲线。

（d）光电池的简化电路模型。

（e）该超表面在不同电容值下的仿真反射幅值随频率变化曲线。

（f）该超表面在不同电容值下的仿真品质因数随频率变化曲线。

（g）子阵列背面以弯曲线方式串联排布的光电池网络。

（h）子阵列正面的光调控的宽带超表面单元。

图3：设计制作的光可编程数字平台和其性能

（a, b）在非隐身和隐身情形下，在5.8 GH时的仿真电场分量Ey在y-z平面上的强度分布。

（c, d）超表面幻觉和目标在6.0 GHz时的仿真电场分量Ey在y-z平面上的强度分布。

（e, f）模式l=1和l=-2时的三维涡旋波束仿真结果。

（g, h）模式l=1和l=-2时的涡旋波束的仿真电场分量Ey在x-y平面上的相位分布。

（i, j）可编程超表面正面照片和底部光传感网络照片。

（k）微波暗室中测试场景照片。

（l）非隐身、隐身和铜板情形下，在5.8 GH测试和仿真的二维散射方向图。

（m）超表面和目标在6.5 GH测试和仿真的二维散射方向图。

（n, o）在6.5 GHz测试和仿真的模式l=1和l=-2时涡旋波束的二维散射方向图。