超表面新应用：高速全双工光无线广播通信

频率短缺已成为制约无线通信发展满足容量需求的最棘手的问题。

光频段拥有更大的带宽，可以为无线通信补充巨大的频谱资源，且无需无线电频谱许可。光无线通信技术（名词解释>）可以从拥挤的无线网络中卸载大量的业务负载，从而为如物联网之类的密集通信提供了良好的解决方案。

采用红外光作为光无线通信(OWC)的频段是目前光无线通信的主流发展方向，其核心技术是需要对红外光束进行精确、独立的二维操控，以满足链路信号传输到多用户终端。目前的主动光调控方法如微机电系统振镜、空间光调制器等传统光电器件在光无线通信系统中已经得到长足发展。

然而随着接入无线系统的用户数目的不断增加，传输系统复杂度、整体成本也在不断增加，业界期望一种新型的光电子器件，能够使得光无线传输系统结构更加简单紧凑、更易于集成、成本更低。

近年来，随着相关理论和关键技术的不断突破，超表面(metasurface)（名词解释>）得到学术界和工业界的共同关注。基于超表面的光无线通信应用已有雏形(如：Laser & Photonics Reviews 12, 1800031 (2018) 论文链接>；Laser & Photonics Reviews 15,2000266 （2021）论文链接>)但目前仍然缺乏商业应用的原型样机和系统验证。

基于此背景，中国信息通信科技集团有限公司光纤通信技术和网络国家重点实验室、国家信息光电子创新中心及鹏城实验室的余少华院士团队、武汉大学的郑国兴教授团队、中科院电子所的杨妍教授团队开展联合攻关研究，研制出可量产化的硅基超表面波束控制光学天线芯片，实现了国际上首个超表面高速全双工光无线广播通信系统。

该系统支持的下行和上行链路速率分别高达100 Gbps和10 Gbps，兼具三种灵活的用户切换操作模式，超表面Hub的有效尺寸小至2mm×2mm。利用光波丰富的频谱范围，同时实现了超表面辅助波束控制和通信信号加载，进而实现了点到多点高速全双工光无线通信。

该成果发表在 Advanced Materials， 题为 Mass-manufactured beamsteering metasurfaces for high-speed full-duplex optical wireless broadcasting communications。

该系统不仅是对超表面实现光无线通信应用的原型样机验证，而且可解决现有光无线系统依赖于传统光学元件的波束控制方法无法兼顾大的波束控制角、任意的通道数、可重构性和小型化等难点问题。

值得一提的是，超表面材料的商业化应用需要同时具备低成本和批量制造能力，传统的电子束工艺在量产和大面积低成本方面都不具备优势。为此，联合攻关团队尝试在248nmDUV光刻、180nm节点的CMOS工艺平台上试验批量制造超表面并取得成功。

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.