东南大学崔铁军院士团队在光驱动可编程超表面方面取得重要进展

近日，东南大学崔铁军院士研究团队和新加坡国立大学仇成伟教授及新加坡南洋理工大学罗宇教授合作，提出、设计并实现了一种可对电磁功能进行编程的光驱动数字编码超表面。在该光驱动数字超表面平台上，能够用可见光强度实时调控微波的反射相位响应，解决了以往多通道电控超表面需要大量复杂物理导线连接带来的微波信号与直流信号串扰难题，同时实现了非接触式远程可编程调控，为高度集成化的远程可编程超表面系统的研制奠定了基础。相关研究成果以An optically driven digital metasurface forprogramming electromagnetic functions为题发表在Nature Electronics上。论文通讯作者为东南大学蒋卫祥教授、崔铁军教授及新加坡国立大学仇成伟教授，第一作者为东南大学博士生张信歌。

超表面是由大量亚波长单元在二维平面上周期或非周期排布而构成的人工结构阵列，能够对电磁波进行灵活操控。由于超表面具有超薄结构和较强的可自主设计性而受到广大研究者青睐。特别是有数字编码超表面，能够在单一平台上完成对电磁波的多功能可编程调控。在微波频段，构建数字编码超表面的常用方法是在超表面单元中加载半导体器件（例如PIN二极管和变容管），然而这种方法一般需要大量导线、外部电源和复杂控制电路提供直流控制信号来驱动超表面，且外部电源和控制器必须通过导线和超表面相互连接，会增加系统体积，也会带来直流和微波信号间的串扰。

不同于有线的电控方式，无线的光控方式最近被提出和应用于微波动态超表面的调控（相关成果于2018年发表在Advanced science，DOI: 10.1002/advs.201801028和Applied physics letter，DOI: 10.1063/1.5045718）。然而，已实现的微波段光控超表面是窄带的，且只能整体或者在一维方向上实现调控，大大限制了数字编码超表面的可编程性。无线通信的快速发展和日益复杂的电磁环境对电磁器件和系统的多任务处理能力和集成化要求越来越高，因此设计和实现高度集成化、且具有强可编程能力的电磁器件和系统是一个研究热点，但在微波波段构建可编程性强、宽带、且可无线远程调控的数字编码超表面依存在一定困难。

为了克服上述困难，该工作通过将多个独立的基于硅光电池的光传感网络集成在精心设计的基于变容管的超表面背后，设计了一款超紧凑的宽带光控可编程数字超表面平台。设计的光传感网络能够接收不同强度的可见光，然后产生不同的偏置电压，进而调控宽带超表面的微波反射相位。通过接收不同的光照图案，在该光控可编程数字平台口径上能实时产生不同的相位分布，进而实现种类不同的电磁功能。另外，此类光驱动可编程数字平台作为一种电子桥梁连接了光输入和微波输出，且验证了可以用标量光强度控制矢量微波的可行性，有望为未来发展先进光电混合器件和可见光与微波融合通信系统等提供新的技术方案。