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图1 基于液晶超构器件的可调大FOV光无线通信方案
1. 导读
近年来，作为缓解无线通信拥塞的解决方案之一，光束转向红外光通信备受关注。它要求光束具有高度方向性并可以灵活分配，因此光束转向技术至关重要。光束转向可以通过传统光束转向器件，如空间光调制器（SLM）、微电子机械系统（MEMS）反射镜、波导阵列光栅等，或基于超表面的非机械光束转向器件实现。然而，这些器件仍无法实现大且连续可调的转向角度，这一点使得光束转向红外光通信无法得到更广泛的应用。针对这些问题，近日中国信息通信科技集团有限公司光通信技术和网络全国重点实验室陶金博士团队在Nanophotonics发表最新文章，提出一种液晶超构器件辅助的可调大视场角的红外光无线通信方案。该光束转向方案使用已商业化的液晶元件制造技术设计并制造了一种可线性放大光束角度的液晶超表面器件，将其与电可调的硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM）结合，获得角度放大且连续可调的光束转向。为了进行该方案在红外光无线通信中应用的验证，团队在S/C/L波段进行了上下行速率200Gbps的通信实验，实验结果验证了该液晶超表面辅助可调大视场角（FOV）红外光无线通信方案的可行性和有效性。该研究成果将液晶超表面的角度放大特性与液晶空间光调制器的连续可调性融合，为实现连续可调大角度高速光无线通信系统提供了切实可行的方案，为未来高性能无线数据传输、激光雷达和数字全息打开了新思路。2. 研究背景
由移动设备数量急剧增长和物联网快速发展所引起的信息爆炸在过去几十年里一直给无线通信流量带来挑战。红外光无线通信作为一种有前景的解决方案，因其超高带宽、频谱不受监管、抗电磁干扰、低成本、高数据流量而受到广泛关注。更重要的是，它与现有光照明系统独立，且与已建立的光纤通信基础设施相兼容。而为了获得高效、高速和高安全性的红外光通信，传播光束需要精准定向，红外光束转向技术起着至关重要的作用。光束转向一般由MEMS反射镜、SLM、衍射光栅和阵列波导光栅实现。然而，MEMS反射镜只能一对一地实现单光束转向，SLM受限于像素尺寸只能实现几度范围的动态光束转向，衍射光栅难以动态调谐，阵列波导光栅变换偏转角度依赖于光源波长的改变，它们不能在不改变光源的情况下同时实现大视场角、多波束操控和连续可调。超表面是一种由周期性亚波长单元结构组成的人工二维材料，具有独立控制波的振幅、相位、偏振、频谱和动量的优越能力。近年来，超表面在光无线通信领域被广泛研究，主要充当模式转换器、矢量光束生成器和分束光栅，具有平坦表面、紧凑轻薄易于集成、逐点且精确的相位调控和高设计自由度的优点。然而，尽管超表面的引入为光束转向带来了更多的灵活自由度，但仍然无法实现转向角的连续可调性。通常将超表面与SLM结合使用来解决这个问题，但会受限于SLM本身的可调角度范围。对SLM进行特殊设计可以增大它的可调角度范围，但这些方案需要复杂的设计、制造或精确的对准。因此，如何利用超构光学的易集成性实现连续可调大角度光束转向，促进高性能光束转向红外光通信的发展，是值得分析与研究的重要问题。3. 创新研究
针对上述问题，研究人员提出了一种不同的策略，将超表面设计为角度放大器件来扩展SLM的可调角度范围，实现连续可调的大角度偏转。基于几何相位原理，团队设计了两个二次相位分布的液晶超表面透镜，在共焦的情况下可以将准直光的转向角度放大-f1/f2倍（见图2(b)）。为提升方案的实用性，团队采用已商用化且具有大规模制造潜力的液晶元件制造技术，制造了所需相位轮廓的三明治结构液晶超表面（见图2(c)），并且为了满足左旋圆偏振光入射超表面透镜组的需求，在第一个超表面透镜的前基底上集成了一个液晶四分之一波片（QWP）超表面。团队将制备的液晶超表面组与LCoS级联（见图2(a)），构建了一种可调放大角度超构器件，并进行了实验表征（见图3）。实验结果与理论预期吻合良好，验证了该器件的线性角度放大功能及其连续、灵活的二维可调性，并证明了该器件在光无线广播通信领域的应用潜力。![]()
图2 液晶超构器件辅助的可调大角度FOV光无线通信方案
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图3 液晶超构器件的实验表征
研究团队进一步将所设计的液晶超构器件应用于双向高速相干光无线通信系统实验（见图4）。实验选用S/C/L波段的六个波长作为信号载波，并在一维单侧不同角度下对系统的传输性能进行研究。实验结果表明，位于C波段附近的波长在下行链路中的误码率（BER）满足光通信传播的要求。然而，最短和最长波长的下行BER相对较高，这一现象不是液晶超表面导致的，主要归因于实验中所使用的LCoS在C波段工作带宽的限制。此外，上行链路的传输性能也经过了实验验证，并与下行链路的性能进行对比分析。结果显示，即使在不同角度下，上行链路的传输性能也与下行链路保持高度的一致性。这充分证明了基于液晶超构器件的可调大视场角双向高速光无线通信的可行性。![]()
图4 液晶超构器件辅助的双向相干光无线通信系统实验配置及结果
4. 应用与展望
研究团队提出的液晶超构器件辅助的可调大视场角的红外光无线通信方案，普适性好、信息容量大，通过充分利用液晶空间光调制器的连续可调性和液晶超表面的角度放大功能，可以在S/C/L波段实现20°×20° 200Gbps 16QAM的双向光通信。这是首次实现的基于超表面的连续可调放大角度的光束转向光无线通信系统。该方案还可以扩展到其他波段、更大的放大倍数、和更复杂的材料与功能，其芯片尺度集成将为激光雷达、数字全息显示等开辟新的途径。该研究成果以“Bidirectional high-speed optical wireless
communication with tunable large field of view assisted by liquid crystal
metadevice”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Mian Wu, Chao Yang,
Yuhan Gong, Lin Wu, Ming Luo, Ying Qiu, Yongquan Zeng, Zile Li, Zichen Liu,
Chao Li, Hanbing Li, Xi Xiao, Zhixue He, Guoxing Zheng, Shaohua Yu, Jin Tao，其中前两位作者为共同第一作者，Jin Tao和Shaohua Yu为共同通讯作者。陶金博士团队隶属于中国信息通信科技集团有限公司光通信技术和网络全国重点实验室和鹏城实验室。
