NOEIC超表面光無線通信成果在《Advanced Materials》發表

  隨著經濟的發展和技術的進步，人們對語音、圖像、視頻等數據信息的需求不斷增長。無線通信技術已經徹底的改變了人們的日常生活，特別是最近幾年，虛擬現實(Virtual Reality，VR)、增強現實(Augmented Reality，AR)、短視頻、視頻直播等應用的廣泛普及，人們對無線通信的傳輸速率和容量需求呈現爆炸式的增長。利用近紅外光束進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，并且能與當前的光纖入戶網絡兼容，因而受到越來越多的關注。

  采用紅外光束作為載波的光無線通信，其核心技術是對紅外光束進行精確、獨立的二維操控，以滿足基站信號傳輸到地面多個用戶終端。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線通信系統中已經得到長足發展。然而隨著接入無線系統的用戶數目的不斷增加，傳輸系統復雜度、整體成本也在不斷增加，業界期望一種新型的光電子器件，能夠使得光無線傳輸系統結構更加簡單緊湊、更易于集成、成本更低。近年來，隨著相關理論和關鍵技術的不斷突破，超表面(metasurface)由于其集成化、小型化、可大規模工業的優勢得到學術界和產業界的共同關注。

  國家信息光電子創新中心余少華院士和肖希博士團隊，與鵬城實驗室、光纖通信技術和網絡國家重點實驗室、武漢大學及中科院微電子所開展聯合攻關，研制出可量產化的硅基超表面廣播天線芯片，搭建了國際上首個基于超表面的高速全雙工光無線廣播通信系統。

圖1：基于超表面的室內高速全雙工光無線廣播通信應用示例

  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，每個子光束傳輸包含10個波長的WDM信號、每個波長調制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×14路)。信號上行傳輸時，地面用戶利用各自波長傳輸10 Gb/s的NRZ信號，利用光波豐富的頻譜范圍，同時實現了超表面輔助波束控制和通信信號加載，進而實現了點到多點高速全雙工光無線通信。超表面芯片的有效尺寸小至2mm×2mm，對于集成化和大規模應用帶來了便利。該系統不僅是對超表面實現光無線通信應用的原理性驗證，而且可解決現有光無線系統依賴于傳統光學元件的波束控制方法無法兼顧大的波束控制角、任意的通道數和小型化等難點問題。

圖2：室內高速全雙工光無線通信實驗結果

(左：下行傳輸時的發射光譜和接收光譜;右：上行傳輸時的發射光譜和接收光譜)

  聯合攻關團隊嘗試在248nmDUV光刻、180nm節點的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意的超表面圖形，驗證了利用CMOS工藝平臺實現大規模生產超表面芯片的能力和與其他有源和無源功能光電元件進行單片集成的可能性，展示了其大規模商業應用的潛力。該工作將進一步推動超表面器件和光無線通信技術的實用化進程。該成果發表在國際著名期刊 《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