NOEIC超表面光無(wú)線(xiàn)通信成果在《Advanced Materials》發(fā)表

  隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對語(yǔ)音、圖像、視頻等數據信息的需求不斷增長(cháng)。無(wú)線(xiàn)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，虛擬現實(shí)(Virtual Reality，VR)、增強現實(shí)(Augmented Reality，AR)、短視頻、視頻直播等應用的廣泛普及，人們對無(wú)線(xiàn)通信的傳輸速率和容量需求呈現爆炸式的增長(cháng)。利用近紅外光束進(jìn)行自由空間通信的光無(wú)線(xiàn)通信(Optical Wireless Communication，OWC)可以提供超高傳輸速率和超大的傳輸容量，并且能與當前的光纖入戶(hù)網(wǎng)絡(luò )兼容，因而受到越來(lái)越多的關(guān)注。

  采用紅外光束作為載波的光無(wú)線(xiàn)通信，其核心技術(shù)是對紅外光束進(jìn)行精確、獨立的二維操控，以滿(mǎn)足基站信號傳輸到地面多個(gè)用戶(hù)終端。目前的光束調控方法如微機電系統偏轉鏡、空間光調制器等傳統光電器件在光無(wú)線(xiàn)通信系統中已經(jīng)得到長(cháng)足發(fā)展。然而隨著(zhù)接入無(wú)線(xiàn)系統的用戶(hù)數目的不斷增加，傳輸系統復雜度、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(wú)線(xiàn)傳輸系統結構更加簡(jiǎn)單緊湊、更易于集成、成本更低。近年來(lái)，隨著(zhù)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、可大規模工業(yè)的優(yōu)勢得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注。

  國家信息光電子創(chuàng )新中心余少華院士和肖希博士團隊，與鵬城實(shí)驗室、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )國家重點(diǎn)實(shí)驗室、武漢大學(xué)及中科院微電子所開(kāi)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(xiàn)芯片，搭建了國際上首個(gè)基于超表面的高速全雙工光無(wú)線(xiàn)廣播通信系統。

圖1：基于超表面的室內高速全雙工光無(wú)線(xiàn)廣播通信應用示例

  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。信號下行傳輸時(shí)，每個(gè)子光束傳輸包含10個(gè)波長(cháng)的WDM信號、每個(gè)波長(cháng)調制10Gb/s的NRZ信號，則下行傳輸的廣播速率高達1.4Tb/s(10Gb/s ×10 波長(cháng)×14路)。信號上行傳輸時(shí)，地面用戶(hù)利用各自波長(cháng)傳輸10 Gb/s的NRZ信號，利用光波豐富的頻譜范圍，同時(shí)實(shí)現了超表面輔助波束控制和通信信號加載，進(jìn)而實(shí)現了點(diǎn)到多點(diǎn)高速全雙工光無(wú)線(xiàn)通信。超表面芯片的有效尺寸小至2mm×2mm，對于集成化和大規模應用帶來(lái)了便利。該系統不僅是對超表面實(shí)現光無(wú)線(xiàn)通信應用的原理性驗證，而且可解決現有光無(wú)線(xiàn)系統依賴(lài)于傳統光學(xué)元件的波束控制方法無(wú)法兼顧大的波束控制角、任意的通道數和小型化等難點(diǎn)問(wèn)題。

圖2：室內高速全雙工光無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗結果

(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)團隊嘗試在248nmDUV光刻、180nm節點(diǎn)的CMOS工藝平臺上試驗批量制造超表面并取得成功。研究人員在標準的8英寸SOI晶圓上制造出令人滿(mǎn)意的超表面圖形，驗證了利用CMOS工藝平臺實(shí)現大規模生產(chǎn)超表面芯片的能力和與其他有源和無(wú)源功能光電元件進(jìn)行單片集成的可能性，展示了其大規模商業(yè)應用的潛力。該工作將進(jìn)一步推動(dòng)超表面器件和光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。該成果發(fā)表在國際著(zhù)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