NOEIC超表面光无线通信成果在《Advanced Materials》发表

发布时间：2021-12-10

随着经济的发展和技术的进步，人们对语音、图像、视频等数据信息的需求不断增长。无线通信技术已经彻底的改变了人们的日常生活，特别是最近几年，虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、短视频、视频直播等应用的广泛普及，人们对无线通信的传输速率和容量需求呈现爆炸式的增长。利用近红外光束进行自由空间通信的光无线通信（Optical Wireless Communication，OWC）可以提供超高传输速率和超大的传输容量，并且能与当前的光纤入户网络兼容，因而受到越来越多的关注。

采用红外光束作为载波的光无线通信，其核心技术是对红外光束进行精确、独立的二维操控，以满足基站信号传输到地面多个用户终端。目前的光束调控方法如微机电系统偏转镜、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)由于其集成化、小型化、可大规模工业的优势得到学术界和产业界的共同关注。

国家信息光电子创新中心余少华院士和肖希博士团队，与鹏城实验室、光纤通信技术和网络国家重点实验室、武汉大学及中科院微电子所开展联合攻关，研制出可量产化的硅基超表面广播天线芯片，搭建了国际上首个基于超表面的高速全双工光无线广播通信系统。

图1：基于超表面的室内高速全双工光无线广播通信应用示例

该超表面广播芯片可以把入射光束均分为14个子光束，其中包含左旋偏振光7束，右旋偏振光7束。信号下行传输时，每个子光束传输包含10个波长的WDM信号、每个波长调制10Gb/s的NRZ信号，则下行传输的广播速率高达1.4Tb/s（10Gb/s ×10 波长×14路）。信号上行传输时，地面用户利用各自波长传输10 Gb/s的NRZ信号，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。超表面芯片的有效尺寸小至2mm×2mm，对于集成化和大规模应用带来了便利。该系统不仅是对超表面实现光无线通信应用的原理性验证，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、任意的通道数和小型化等难点问题。

图2：室内高速全双工光无线通信实验结果。

（左：下行传输时的发射光谱和接收光谱；右：上行传输时的发射光谱和接收光谱）

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。研究人员在标准的8英寸SOI晶圆上制造出令人满意的超表面图形，验证了利用CMOS工艺平台实现大规模生产超表面芯片的能力和与其他有源和无源功能光电元件进行单片集成的可能性，展示了其大规模商业应用的潜力。该工作将进一步推动超表面器件和光无线通信技术的实用化进程。该成果发表在国际著名期刊 《Advanced Materials》上， 题为 Mass-manufactured beamsteering metasurfaces for high-speed full-duplex optical wireless broadcasting communications。

图3：8英寸SOI硅片上批量制造的超表面芯片

论文信息：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