基于可编程超表面实现无需直流供电的无线微波-光波转换
研究概况与背景
本文介绍了一项由东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室的Zhang Xin Ge、Sun Ya Lun、Zhu Bingcheng等研究人员，与新加坡国立大学的Cheng-Wei Qiu教授以及东南大学Cui Tie Jun教授和Jiang Wei Xiang教授合作的原创性研究。该研究成果于2025年发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。研究团队提出并实现了一种无需任何外部直流电源供电的可编程超表面，可在自由空间中实现微波信号与激光信号之间的直接、高速、双向转换。
这项研究根植于经典和量子科学领域的前沿技术——微波-光学相互作用。在现代通信、传感和成像系统中，实现微波域与光学域之间能量和信息的有效转换至关重要。然而，这面临着一个巨大挑战：微波与光波的频率尺度差异超过10^4倍，导致两者之间存在天然的不兼容性。传统的微波-光学转换方案通常基于光纤和电路技术，需要经历耦合、电光调制、甚至信号放大等多个中间处理步骤。这些方案不仅依赖外部电源供电，导致成本、功耗和系统复杂性增加，而且限制了自由空间无线应用，且难以实现从光学到微波的逆转换。
为突破这些限制，该研究的目标是开发一种能够直接在物理层实现无线微波-光波转换，且无需直流供电的单一平台。这种平台不仅支持双向操作，还能为新一代全连接信息系统和网络中的跨介质（如空气-水）无缝传输提供变革性解决方案。
核心设计与工作原理
研究团队采用了异构集成策略，设计了一款双面亚波长微波谐振结构。超表面单元是其核心，其正面集成了一种基于金属-半导体（metal–semiconductor, MS）结的肖特基二极管，背面则集成了基于pn结的光电二极管。这两种半导体元件分别利用了整流效应和光电容效应，是实现无源双向转换的关键。
微波转激光（上转换）流程：
- 能量吸收与整流：超表面正面设计有微波谐振结构1（Resonant Structure 1）。当特定极化（X极化）的微波信号照射到超表面时，该谐振结构会强烈吸收微波能量，并产生感应电流。
- 自驱动与发光：感应电流会直接驱动集成在结构中的肖特基二极管。凭借其MS结的低正向压降和快速开关特性，二极管将微波能量整流为直流电，无需任何外部偏置电压。这个自生直流电继而驱动同样集成在超表面上的激光二极管发光。
- 信号映射：入射微波的功率水平直接决定了激光二极管的发光强度，从而将微波信号上的信息完整地映射到输出的激光信号上，实现了无线、无源的微波到激光的直接上转换。
激光转微波（下转换）流程：
- 光学感知与电容变化：超表面背面的微波谐振结构2（Resonant Structure 2）中集成了光电二极管。当激光照射光电二极管时，基于光电容效应，其内部空间电荷区发生变化，导致其结电容随之改变。
- 微波谐振调控：光电二极管电容的变化会显著改变谐振结构2的谐振特性。因此，在特定极化（Y极化）的单色微波入射下，超表面的微波反射幅度会随着照射激光的强度变化而改变。
- 信号映射：反射的微波信号便携带了入射激光的强度信息，从而实现了激光到微波的下转换。
创新性隔离设计
为了实现全双工双向转换且避免信号串扰，研究团队采用了极化-频率联合隔离方案。谐振结构1和2的金属缝隙方向正交，分别响应正交极化的微波。同时，两者的谐振频率也被设计在不同频段（如4.00 GHz和4.45 GHz）。因此，X极化微波仅驱动上转换过程，Y极化微波仅用于感知下转换过程，两者互不干扰。此外，整个超表面单元厚度极薄，仅为0.027个自由空间波长（λ₀），展现了极高的集成度。
关键实验与性能验证
研究团队设计并制造了一个包含20×10个单元的阵列样品，并对双向转换性能、响应速度进行了系统测试。
- 上转换性能：实验通过一个增益为15 dBi的喇叭天线发射X极化微波照射超表面。结果显示，当输入微波功率达到14 dBm（25 mW）时，集成在超表面的绿色激光二极管被成功点亮，输出激光功率为2.7 mW，实现了10.8%的微波-激光转换效率。当输入功率增至24 dBm（250 mW）时，输出激光功率达到16.2 mW。其转换效率的变化归因于肖特基二极管和激光二极管的非线性特性。
- 下转换性能：实验使用激光源照射超表面，同时用矢量网络分析仪测量其Y极化微波反射幅度。结果证实，在3.92 GHz和4.45 GHz两个频率点，通过改变照射激光功率（0至21.6 mW），超表面反射幅度可分别产生约14 dB和9 dB的显著差异，高效地实现了对反射微波信号的调制。值得注意的是，所需微波入射功率仅为1 mW，因为检测的是反射能量的变化。
- 响应速度测试：这是评估实时信号转换能力的关键指标。在无直流供电的条件下，上转换超表面的开关频率高达400 kHz，这得益于肖特基二极管的超快响应速度。下转换超表面的开关频率约为100 kHz，这一速度本身已远超许多传统方案。更重要的是，研究人员创新性地为光电二极管并联了一个电阻，为其提供了光生载流子的快速充放电路径。对比实验表明，未并联电阻时，下转换速度仅为约200 Hz，这一方法将速度提升了近500倍。
开创性应用：全双工跨介质无线通信
基于上述性能，该可编程超表面被成功应用于构建一个极简架构的空气-水跨介质全双工无线通信系统原型。
- 系统架构：系统由微波收发信机、超表面转换器和激光收发信机三部分组成。一个1.0米长的水槽用于模拟水下信道，置于超表面与激光收发机之间。在空气一侧，采用软体定义无线电（SDR）平台和喇叭天线收发微波信号；在水下一侧，则使用FPGA和激光二极管收发OOK（On-Off Keying，开关键控）绿光信号。
- 双向独立传输：在上行链路（空气到水下），一段“星空”视频被调制成BASK（Binary Amplitude Shift Keying，二进制幅移键控）微波信号，通过超表面直接转换为OOK激光信号穿过水体，被水下接收器恢复。在下行链路（水下到空气），另一段“荷花盛开”视频被调制成OOK激光信号照射超表面，实时改变反射的BASK微波信号，由空气端SDR平台接收解调。
- 传输速率与抗湍流能力：实验成功实现了400 kbps（微波到激光）和100 kbps（激光到微波）的实时数据传输速率，独立且同时地完成了两个视频的跨介质双向传输。此外，通过在超表面上多个位置集成光电二极管，系统具备了空间分集接收能力。实验证实，当水下存在热湍流导致单一激光束漂移和扩散时，同时使用两束激光照射不同光电二极管，通信链路的稳定性和传输质量得到了显著保障，有效缓解了水下湍流的影响。
研究结论与价值
这项研究开创性地实现了一种无需直流电源连接、可直接在自由空间进行微波-激光双向信号转换的可编程超表面。该成果将多物理场控制、信息调制和信号转换功能融合在一个共享孔径的超薄平台上，提供了一种无线、无源、低开销的全双工跨介质通信新范式。
科学价值：该工作为波-物质-信息交互界面提供了新的物理机制，将零功耗、双向转换的概念引入超表面设计，为电子学与光子学在波动领域的新型交互奠定了基础。
应用价值：该技术有望在第六代（6G）通信中发挥关键作用，特别是为构建无缝覆盖的“卫星-空中-地面-海洋”全连接网络提供了变革性方案。它解决了空气-水界面这一天然通信壁垒，无需依赖笨重、耗电的中继转换节点，对于海洋、太空等极端环境下的规模化、长期原位部署具有重大意义。
研究亮点总结
- 无源双向转换：首次在单一、无线、无电池的超表面平台上同时实现了微波到激光和激光到微波的直接转换，摆脱了对外部电源和处理电路的依赖。
- 异构集成设计：巧妙地将肖特基二极管的整流效应与光电二极管的光电容效应，通过双面谐振结构融合在一起，实现了两种不同物理机制的协同工作。
- 高速响应：在无电源供电状态下，通过创新的并联电阻放电回路设计，使下转换速度达到100 kHz，上转换速度更是高达400 kHz，满足了实时通信的要求。
- 功能融合与极简架构：该超表面集能量收集、信号转换、信息调制于一体，构建的跨介质通信系统架构极为简洁，大幅降低了系统复杂度和成本。
- 验证全面：研究不仅验证了物理层转换的可行性，还成功搭建系统原型，演示了全双工视频传输和抗水下湍流通信，证实了其在真实应用场景中的巨大潜力。