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图1 多通道全空间编码多功能超表面工作原理示意图
1.导读
随着装备和未来通信技术的发展，单一极化波在复杂电磁环境中应对高容量通信问题受到限制，而线-圆极化波相结合能够更加适用于多信道情况下的通信和探测。同时，为满足高度集成和多信息容量通信的日益增长需求，通信系统对电磁器件的集成化和小型化提出了更高设计要求。为此，研究人员将极化复用引入超表面中，采用超薄器件产生多种波前调控，实现多功能集成，并基于极化元发展了多元复用的多功能器件，但仍存在极化串扰和效率低等难题。针对上述问题，近日空军工程大学许河秀教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套集成线-圆极化波前调控的多通道全空间编码超表面策略，通过在超表面单元中旋转双开口环谐振器和改变L型贴片的尺寸，分别调控圆极化波入射下的Pancharatnam-Berry
(PB)相位和线极化波入射下的共振相位，并采用类似静电屏蔽效应的环形贴片对各个通道进行隔离。这种隔离策略极大地抑制了三种模式之间的串扰，增强了多通道全空间超表面的独立波前调控能力，为多元电磁信息集成操控提供新的设计思路。团队在数值仿真模拟基础上，在微波段不同极化波入射下实现了不同功能集成，所有实验结果均与理论预期非常吻合，充分验证了该设计方法的有效性。该研究成果不仅为高效率多功能集成超表面设计提供了方法和技术储备，并为未来通信和雷达器件集成与小型化打开了新思路。2.研究背景
作为人工超材料的二维结构，超表面通过在界面上引入电磁场的不连续性，能够精确控制相位、振幅和极化等物理特性，展现出空前的电磁波调控能力。随着未来通信技术的快速发展，人们开发了多功能电磁超表面，通过在单个超薄结构上集成多个信息通道来满足日益增长的大容量通信系统需求。为进一步扩大信道容量，人们通过将极化、频率、角度、空间和方向等一元信息相结合，探索出多元信息复用技术。其中，透射-反射一体化的多功能超表面因其在全空间操纵电磁波方面具有独特优势而最具代表性。为在微波频段实现全空间多功能器件，必须对电磁超表面单元进行特殊巧妙设计，如用于频率复用的频率选择金属层，用于方向复用的开槽金属层以及用于极化复用的各向异性结构。然而，以往大多数尝试都是对线极化波或圆极化波进行调控，而在共享口径架构下同时实现线-圆极化波的全空间波前调控却鲜有报道。最重要的是，具备线-圆极化波前调控能力的多通道全空间器件能够极大拓展信息通道数目，在实现更新颖、更复杂和更大容量的集成波前调控和功能器件中具有重要意义。3.创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一套具有线-圆极化波前调控的多通道全空间编码超表面普适新策略。在极化-空间复用超表面设计上，研究者寻找了两种不同机制的相位来辅助实现线极化波和圆极化波的波前调控，即与入射波极化无关的共振相位和依赖圆极化波的几何相位，按照功能需求设计相位叠加和组合，实现了不同极化情况下的波前调控。如图1所示，高频前向和后向圆极化波激发时分别反射出双涡旋波束和贝塞尔波束，而低频45°线极化波激发时则透射出极化分离双波束。为实现上述多通道编码超表面设计，研究人员首先针对超表面单元中极化-方向复用这一特征，通过交叉方式和共享口径设计出其结构。在不同极化波入射时，利用不同光轴来独立调控不同空间的电场，并且采用环形贴片来实现极强的隔离效果。设计过程中，2-bit反射编码态的电磁响应与旋转角度β1、β2密切相关，而1-bit透射编码态的电磁响应则取决于几何参数lx和ly（见图2）。为区分多元编码状态，所设计的复合基本单元被分解成两类编码子元素，分别用于反射和透射波前操控。![]()
图2 超表面单元全波仿真结果及多元编码态
通过分析三种模式下的电流分布可进一步了解不同极化下的电磁效应从而揭示超表面单元工作的物理机制。如图3a、3b所示，当17.1GHz的前向左旋圆极化波照射时，环电流在顶部双开口环和环形贴片上形成；而当16.9GHz的后向左旋圆极化波照射时，环电流在底部双开口环和环形贴片上形成，两种情形下都展示出强烈的局部电谐振效应。与此形成鲜明对比，当单元被11.2GHz的x-和y-线极化馈源照射时，电流主要集中在L型和环形贴片上。如图3c、3d所示，17.1、16.9GHz处两个反射通道中，电流分别在顶部、底部金属层形成；而11.2GHz透射通道中，四层金属结构上均有强电流分布，形成高效共振透射。综上，高频圆极化波下，环形贴片对“外部”L型贴片电场有屏蔽作用（对双开口环起到“保护”作用）；而相反，低频45°线极化波下，环形贴片对“外部”双开口环电场有屏蔽作用（对L型贴片起到“保护”作用），即环形贴片在复合超表面单元独立极化透反射模式调控中具有屏蔽作用，减少了线极化和圆极化模式之间的串扰，类似于物理学中的静电屏蔽效应。因此，环形贴片的屏蔽效应减少了内部相互耦合，提供了良好的隔离效果，确保了旋转双开口环和改变L型贴片尺寸能够独立控制几何相位和共振相位响应，最终可实现独立多通道波前控制。![]()
图3 超表面单元在不同极化和不同频段电磁波激发下的电流分布
随后，研究人员利用具有类静电屏蔽的基本单元设计了极化-空间复用超表面，充分利用超表面单元的几何构型自由度来调控相位分布，进一步采用共振相位和几何相位相结合的方式来实现对线-圆极化波的多种波前调控。为验证所提超表面的潜在应用，通过2-bit反射和1-bit透射编码设计了一个三功能全空间器件。从实验结果图4中可以看出，在前向和后向圆极化平面波入射时，该器件分别产生了+1阶双涡旋波束和贝塞尔波束。同时，45°线极化馈源入射时，出现高效的极化分离现象（同时产生偏离y轴-30°的x极化波和偏离x轴-45°的y极化波），所有实验结果均与预期吻合良好。
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图4 多通道全空间编码超表面的实验设置及仿真、测量结果
4.应用与展望
研究团队提出的集成线-圆极化波前调控多通道全空间编码超表面新方案，普适性好、信息容量大，通过充分利用两种相位调控机制，可以在线-圆极化波入射下，分别实现不同极化和空间区域的相位分布和功能，可拓展到可见光和红外波段等，产生的多通道电磁波前调控在集成光学和雷达射频前端具有广阔应用前景。该研究成果以“Multichannel full-space coding metasurface with
linearly-circularly-polarized wavefront manipulation”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Huiling Luo, Huanhuan
Gao, Yanzhao Wang, Chaohui Wang, Fan Zhang, Yanzhang Shao, Tong Liu, Zhengjie
Wang, He-Xiu Xu*，其中Huiling Luo为第一作者，He-Xiu Xu教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金面上项目（62171459）和陕西省创新能力支撑计划-重点科技创新团队（2024RS-CXTD-08）支持。
