文献解读 | 超表面分束器：144 路并行、总容量超 28 Tbps 的无线光通信（Nature Communications 2024）
论文简介
本期的解读对象是东南大学、紫金山实验室与南京大学合作发表于 Nature Communications 的论文《Tbps wide-field parallel optical wireless communications based on a metasurface beam splitter》（2024 年，第 15 卷，文章号 7744，DOI: 10.1038/s41467-024-52056-4）。论文的共同第一作者是吴越与陈吉，通讯作者为张在琛（东南大学）与李涛（南京大学）。期刊正式版 与 PMC 开放全文 均可公开获取（CC BY 4.0），PubMed 题录 也可检索。
一句话贡献：把”12×12 光纤阵列 + 一片毫米级硅超表面”集成为光束分束器，将约 120° 的宽视场分割成 144 路彼此独立的光束，每路通过波分复用（WDM）达到 200 Gbps，整机通信容量超过 28 Tbps；再用偏振复用让相邻光束错位填充，实现无盲区、无串扰的室内全覆盖。
为什么无线光通信需要”一束光变成很多束”
无线光通信（OWC，Optical Wireless Communication）是第六代移动通信（6G）中备受关注的技术方向：频谱资源丰富、速率高、延迟低、保密性好，而且不需要射频频谱许可。要让一束细激光同时服务房间里的很多用户，关键能力是”波束控制”——把光精确地送到不同方向（S1）。
传统 OWC 系统里，波束控制通常交给空间光调制器（SLM，Spatial Light Modulator）或机械旋转反射镜。SLM 的像素尺寸大，偏转角度有限；机械转镜结构笨重、有活动部件，难以装进便携设备。超表面作为由亚波长纳米结构组成的二维人工材料，原则上可以把”控制光的方向”写进一层几百纳米厚的平面上，同时做到大偏转角和小体积（S1）。
但光学超表面有个尴尬之处：结构单元太小，很难像射频超表面那样逐像素动态调制，一片光学超表面通常只能把光束偏转到固定角度，结果就是房间里存在大片的通信盲区。论文引言梳理了几类动态方案：与液晶联合控制、双层超表面反向旋转、让入射光与超表面相对移动等。它们都能让光束动起来，但所有输出光束都来自同一束入射光，彼此携带相同的信息、互相不独立，因此只能”广播”，没法同时给不同用户传不同内容（S1）。
表 1：OWC 波束控制方案对比（表述与结论来自论文引言）
| 方案 | 偏转能力 | 能否并行传输 | 集成度 |
|---|---|---|---|
| SLM 或机械旋转镜 | 偏转角受限或结构笨重 | 可切换单束 | 低 |
| 单层光学超表面（固定角度） | 大角度但固定 | 不可变向，存在盲区 | 高 |
| 液晶联合控制/双层反向旋转/相对移动 | 动态偏转 | 各束同源不独立，仅广播 | 中 |
| 光纤阵列 + 超表面分束器（本文） | ±60°（约 120° 视场） | 144 路独立并行 | 高 |
论文换了一个思路：不让一束光”扫”向不同用户，而是用很多根光纤，每根光纤各带一路独立信号，分别照亮超表面的不同区域，由超表面把每一路光偏转到不同方向。这样超表面本质上成了一个静态的”空间复用器”——它不做动态控制，却天然实现了多用户并行（S1）。接下来的问题就变成：这片超表面该怎么设计，才能把每根光纤发出来的发散光，变成射向指定方向的准直光束？
核心器件：光纤阵列与超表面如何组成分束器
分束器的核心组件如图 1a 所示：一块 12×12 的二维光纤阵列（光纤间隔 p = 100 μm）正对着硅超表面，两者间距精确可调。每根光纤发出的光打到超表面不同区域，被偏折到不同角度，就对应一个通信方向。整个器件（光纤阵列与超表面）的尺寸只有 1.2×1.2 mm，核心组件比一枚硬币薄得多（S1）。
图 1：(a) 二维超表面分束器核心组件示意图，p 为光纤阵列中光纤的间距（为清晰起见，距离与尺寸未按实际比例）；(b) 光纤出射光场的高斯光束模型，Θ、ω0 与 ω(z) 分别为发散角、束腰和 z 处的光束半径；(c) 1550 nm 波长下 16 种不同结构参数 meta-atom 的相位（棕色星号）与透过率（蓝色圆点）的 FDTD 仿真结果，纳米柱直径标注在相位曲线旁，插图为超表面单元结构（周期 P、硅纳米圆柱高度 H、直径 D，位于 SiO₂ 衬底上）；(d) 已制备超表面的局部俯视 SEM 图。
设计的第一步，是把”光纤出射光”写成一个可计算的模型。单模光纤端面出射的光场可以近似为高斯光束：
$$
E(r,z)=A_0\frac{\omega_0}{\omega(z)}\exp\left(-\frac{r^2}{\omega^2(z)}\right)\exp\left[-i\left(k_0z+\frac{r^2}{2R(z)}-\arctan\frac{z}{z_0}\right)\right],
$$
其中 A0 为电场振幅，r 为到光轴的径向距离，z 为传播距离，z0 为瑞利长度，ω(z) 与 R(z) 分别为 z 处的光束半径与波前曲率半径，k0 = 2π/λ0 为波数。论文通过实测不同距离处的光束半径，反推出这支高斯光束的发散角 Θ = 0.094 rad、束腰 ω0 = 5.27 μm，工作波长取光通信常用的 1550 nm（S1）。
现在把一片相位分布为 φ_lens(r) 的超表面放在距离光纤端面 d0 处。发散光到达超表面时已带有球面波前相位，近似为 φ1(r) ≈ k0r²/(2R(d0)) + C（C 为与 r 无关的常数）。要让输出变成准直光，经过超表面后的总相位应当只有随位置线性变化的项——因为只有线性相位才对应一个确定的偏转方向。由此解出超表面需要的相位：
$$
\varphi_{\text{lens}}(r)=-\frac{k_0r^2}{2R(d_0)}.
$$
这正是”负的球面相位”：它把入射发散的波前”掰直”。由广义斯涅尔定律，r0 处光束的偏转角满足
$$
\sin\theta=-\frac{r_0}{R(d_0)},
$$
即偏转角与入射位置成正比——光纤阵列里每根光纤落在超表面上不同位置 r0，自然对应不同的出射方向。论文据此选取参数：要覆盖 ±60° 的偏转范围，超表面直径取 1.725 mm，光纤阵列与超表面的间距 d0 取 900 μm（S1）。
相位图纸有了，还要有能”画”出它的单元。论文使用传播相位型超表面：SiO₂ 衬底上竖立高 1000 nm 的硅纳米圆柱，通过改变圆柱截面半径来提供不同的相位延迟。用 FDTD（Finite-Difference Time-Domain，时域有限差分）仿真筛选出 16 种 meta-atom（亚波长结构单元），它们在 1550 nm 下覆盖完整的 0–2π 相位范围，且透过率都超过 90%（图 1c）。器件用电子束光刻（EBL，Electron-Beam Lithography）加干法刻蚀制备，图 1d 的 SEM（Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜）照片展示了加工出的纳米柱阵列（S1）。
这里值得体会一下设计思路：超表面并不”知道”哪根光纤在发光，它只是把每个位置上的入射光按照 φ_lens 偏折；谁照亮哪个位置，光就射向哪个方向。于是”空间复用”完全靠光纤阵列与超表面的几何对应关系实现，器件本身没有任何活动部件，也不需要逐像素电控——这正是它小而稳的原因。
把发散光”掰直”：器件表征能交出什么成绩单
先看最基础的一步：超表面有没有真的把发散光变成准直光？实验把全部 144 根光纤接上光源，让它们同时被超表面调制，红外观察卡上立刻出现 144 个清晰的光点阵列（图 2b）——这本身就是”144 路独立光束同时成立”的直观证据（S1）。
图 2：(a) 实验装置示意图；(b) 红外激光观察卡上检测到的 144 路调制光束；(c) 不同传播距离处光纤端面后的光强分布（0° 偏转，第一行无超表面、第二行有超表面调制）；(d) 对应的光束半径随距离的变化曲线；(e) 距超表面固定 15 cm 处不同偏转角的光束轮廓；(f) 五个波长（1560.61、1552.52、1550.12、1546.92、1539.77 nm）在不同偏转角下的偏转效率。
对比实验更直观：不加超表面时，光纤出射光迅速发散，光束半径随距离快速增大；加上超表面后，光斑在相当远的距离上基本保持形状——传播 1 m 之后，光束半径仍然小于 5 mm。把光束半径随距离的数据做线性拟合，两种情况的发散角分别是 5.36° 和 0.25°（图 2c、2d）。也就是说，超表面把一支发散角超过 5° 的光束压缩成了准直度接近理想激光的光束（S1）。
接下来看偏转能力。图 2e 展示了 0° 到 60° 一系列偏转角下的光斑轮廓：即使偏转到 60° 的极端位置，光斑形状仍然保持得相当好。图 2f 给出了五个波长在不同偏转角下的偏转效率（定义为偏转光束功率与输入光束功率之比）：在偏转角超过 60° 之前，五个波长的效率都维持在 40% 以上。这组数据同时回答了两个问题：器件能偏转多大角度（到 60° 仍可用），以及能不能支持多波长同时工作（五个波长效率都达标）——后者正是下一步波分复用的前提（S1）。另外，光从光源耦合进光纤的实测效率约为 87%，系统预算里这是第一笔损耗。
一路 200 Gbps：八个波长挤进一根光纤
单路光束的带宽从哪里来？论文用密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）把多个波长塞进同一路光束。图 3a 是通信实验的装置图：八个 25 Gbps 光模块工作在 1546.92–1552.52 nm 之间（1546.92、1547.72、1548.51、1549.32、1550.12、1550.92、1551.72、1552.52 nm，都靠近中心波长 1550 nm），每个模块输出 25 Gbps 的 OOK（On-Off Keying，开关键控）伪随机序列；八路信号经合波器（MUX）合成一路 200 Gbps 的复合光信号，由掺铒光纤放大器（EDFA）放大后进入光纤阵列中的一根光纤，经超表面偏转后在空中传播 50 cm，再由接收端准直器收进单模光纤、分波器（DMUX）拆开，逐一测量误码率（S1）。
图 3：(a) 超表面 OWC 系统实验装置示意图，EDFA 为掺铒光纤放大器，PRBS 为伪随机二进制序列，BERT 为误码率测试仪，MUX/DMUX 为合波器/分波器；(b) 1546.92–1552.52 nm 八个波长各载 25 Gbps 信号时的 BER-ORP（误码率-接收光功率）曲线，插图为 1550.12 nm 波长、−30 dBm 接收功率下的眼图；(c) 1550.12 nm 波长下不同偏转角（0°–60°）的 BER-ORP 曲线，插图为 60° 偏转、−30 dBm 接收功率下的眼图。
图 3b 是八个波长在 30° 偏转、50 cm 接收距离下的误码率（BER，Bit Error Rate）曲线。八条曲线几乎重合——最外侧波长与中心波长只差约 5 nm，相对中心波长 1550 nm 小三个数量级，色散引起的角度变化可以忽略，所以每个波长都能独立承载高速信号。插图里 1550.12 nm 在 −30 dBm 接收功率下的眼图清晰张开，说明信号质量良好。图 3c 进一步考察偏转角的影响：从 0° 到 60° 的 BER 曲线差别不大，60° 偏转、−30 dBm 下的眼图依然张开（S1）。
一个 25 Gbps × 8 波长 = 200 Gbps 的单路容量由此坐实。把这个数字乘上 144 路，理论上就是 28.8 Tbps 的整机容量——论文给出的”超过 28 Tbps”即由此而来。当然，这是在设计容量口径下成立：每路都跑满八个波长时才能达到这个总和，而实际演示中通道里加载的波长数要少一些（S1）。
两路高清视频并行：演示系统里的”真刀真枪”
数字之外，论文还搭了一套可运行的原型系统，直接演示”并行”二字的意义。图 4a、4b 分别给出系统示意图和实景：两台计算机的视频信号经模块板卡（MCB）转成光信号，分别进入光纤阵列的两根光纤，经超表面偏折约 25° 与 50°，在自由空间传播超过 1 m 后被两个接收准直器捕获，再还原成高清（HD）视频在显示器上播出——两路视频互不干扰，同时工作（S1）。
图 4：(a) 高速宽视场并行 OWC 系统示意图与 (b) 实景；红、黄虚线分别近似表示通道 1 与通道 2 的光路；放大图 1 为光纤阵列加超表面的核心组件，放大图 2 为光谱仪测到的合波后（浅蓝）与分波前（浅紫）的波长结果，放大图 3 为 λ2–λ5 四路信号的误码率测试结果，放大图 4 为 λ6 信号的眼图。
通道 2 还额外展示了 DWDM 扩容：它一共加载六个波长（C31–C36），其中 λ1 = 1552.52 nm 传视频，λ2–λ6 五个波长各传一路 25 Gbps 序列。接收端分波后，四路进误码率测试仪（BERT），每一路都清晰测出 25 Gbps 的速率（放大图 3），λ6 则接入采样示波器看眼图（放大图 4）。这套演示把”并行通道 + 每通道波长复用”两级容量扩充同时跑通：通道之间靠空间分开，通道内部靠波长分开（S1）。
这一节想强调的工程含义是：论文的”144 路”不是仿真里画出来的，而是光纤阵列物理上就有 144 个端口，每个端口的光束都被实验验证过（图 2b 的 144 个光点）；并行演示则证明不同端口可以同时携带不同信息。这与”一束光分裂成多束广播”的既有超表面 OWC 路线（各束信息相同）有本质区别（S1、S5）。
没有盲区：偏振复用怎样做到室内全覆盖
144 路光束听起来很多，但准直光束的半径只有几百微米，144 个光斑远远铺不满整个房间。要覆盖全部通信区域，一个办法是让光束略带发散——把光纤阵列与超表面的间距从准直条件 d0 略微调大（d > d0），光斑随距离逐渐摊开。但发散得太多会摊薄光强、拖慢通信，所以存在一个”刚好铺满”的临界条件：相邻光纤发出的光束边缘恰好相接。论文推导出临界全覆盖条件为
$$
\frac{(R(d)-R(d_0))\cdot\omega(d)}{R(d)}=\frac{\Delta r}{2},
$$
其中 Δr 是参与判断的两根光纤的间距（S1）。
关键选择在于 Δr 取多少。如果取相邻光纤间距 p，光斑虽然相接，但观察面上仍然留有大片照不到的三角形空区（图 5b、5e）；只有取次近邻光纤间距 2p，观察面才能被完全铺满（图 5c、5f）——代价是相邻光斑大面积重叠。通信时不同光纤传不同信号，重叠区就会给相邻用户带来串扰（S1）。
图 5：(a) 临界全覆盖条件下相邻光纤出射光线的几何关系，红线代表光纤 i−1 的光线、灰线代表光纤 i 的光线，临界条件为两条边缘光线的偏转角相等；(b)(c) 当 Δr 分别取 p 与 2p 时（对应光纤阵列与超表面间距 1430 μm 与 1650 μm），观测面（d2 = 10 mm）上同偏振光束覆盖的示意图；(d) Δr 取 p 时同一观测面上左旋（LCP）与右旋（RCP）圆偏振光束的覆盖示意图；(e–g) 与 (b–d) 对应的观测面光强分布，黑色线框为不同光纤出射光束的边界，红色与蓝色线框分别为 LCP 与 RCP 入射光的覆盖区域。
论文的解法是”让相邻光斑错位而不重叠”：用偏振复用超表面把每根光纤的出射光按圆偏振拆成两套、分别填充空区。具体做法是把式（4）的相位在 x、y 方向各平移半个周期 p/2，得到另一套相位：
$$
\varphi_{\text{lens}}(r)=\frac{k_0\left[(x-p/2)^2+(y-p/2)^2\right]}{2R(d_0)}.
$$
超表面单元换成硅纳米砖（长 L、宽 W、取向角 α，周期 800 nm、高 1000 nm），对左旋（LCP，Left-handed Circular Polarization）与右旋（RCP，Right-handed Circular Polarization）圆偏振光给出不同的相位响应。于是，相邻光纤的光束分别以 LCP 和 RCP 入射时，会落到彼此的空区里（图 5d、5g）：同一偏振的光束互不重叠（避免同源串扰），不同偏振的光束即便空间重叠，接收端加一个圆偏振滤光片也能把干扰信号滤掉（S1）。两种方案的参数对比：Δr = p 的偏振复用方案对应光纤阵列与超表面间距 1430 μm，Δr = 2p 的非偏振复用方案对应 1650 μm。
图 6：(a) 超表面 OWC 的工作场景示意图，左侧三束输出光处于全覆盖条件，右侧两束体现宽视场覆盖能力，蓝色与红色表示不同旋向的圆偏振而非波长；(b) 偏振复用超表面的 SEM 图，插图为单元结构示意（周期 P，非晶硅纳米砖长 L、宽 W、高 H、取向角 α，位于 SiO₂ 衬底上）；(c) 全覆盖 OWC 性能表征的实验装置，FPC 为光纤偏振控制器；(d) 非偏振复用超表面（NPM-MS，棕色实线）、偏振复用无滤光（PM-MS，蓝色虚线）与偏振复用加滤光（PM-MS-F，蓝色实线）的接收光谱，均按工作信号功率归一化；(e) 偏振复用加滤光（PM-MS-F）与非偏振复用（NPM-MS）两种方法的 BER-ORP 曲线。
图 6 给出实测效果。实验里，工作信号（λs = 1550.12 nm）从一根光纤发出，相邻光纤加载四路干扰信号（1551.72、1550.92、1549.32、1548.51 nm），接收端放在工作信号的光斑区域。对比三种情况：非偏振复用（NPM-MS）、偏振复用不加滤光（PM-MS）、偏振复用加滤光（PM-MS-F）。图 6d 的接收光谱显示，偏振复用加滤光后，相邻信道干扰被明显压低，信噪加干扰比（SNIR，Signal-to-Noise plus Interference Ratio）比非偏振复用方案提升超过 10 dB；图 6e 的误码率曲线进一步显示，相同接收光功率下，偏振复用方案的 BER 比非偏振复用低约一个数量级（S1）。
应用场景上，论文设想把分束器装在房间天花板上：各路光束以不同角度射向房间不同位置，用户处在任何角落都能收到一路专属光束，不存在盲区；由于各通道独立且可加偏振滤光，相邻区域之间的干扰也能消除。论文总结的关键性能如表 2 所示（S1）。
表 2：超表面分束器 OWC 系统关键指标（数字来自论文正文与摘要）
| 指标 | 数值 |
|---|---|
| 并行通道数 | 144（12×12 光纤阵列） |
| 光束偏转范围 | ±60°（覆盖约 120°） |
| 单路容量（设计） | 200 Gbps（8×25 Gbps DWDM） |
| 整机容量（设计） | 超过 28 Tbps |
| 核心组件尺寸 | 1.2×1.2 mm（光纤阵列与超表面） |
| 大角度偏转效率 | 五个波长在 60° 内均大于 40% |
意义与展望
这篇论文的意义，是把超表面在通信里的角色从”会偏转光的镜头”升级成了”静态的空间复用器”：144 根光纤各自独立传信、由一片毫米级超表面分配方向，绕开了光学超表面难以逐像素动态调控的难题，同时拿到了”宽视场、多用户并行、高速率”三个此前难以兼得的指标。论文指出，其超过 28 Tbps 的整机容量是目前基于光束偏转的 OWC 工作中报道的最高通信速率（S1）。
从原理验证走向实际应用，仍有几件值得推进的事。一是大角度偏转效率：偏转角越大，传统周期性单元提供横向动量越吃力，能量容易漏进零级或损耗；论文给出的路径是拓扑优化或深度学习辅助的结构优化，以及针对每个角度设计倾斜单元（S1）。二是通道规模：理论上只要增加光纤数量就能增加通道，但更大的光纤阵列与超表面受制于加工能力，需要与制造工艺一起迭代（S1）。三是工程集成：目前实验用平移台精确调节光纤阵列与超表面的间距，实际产品中这个间距确定后，可以用光学胶或 3D 打印模具固定封装，把毫米级的”分束器”变成可批量装配的部件（S1）。
应用侧的想象空间同样不小。OWC 具有抗电磁干扰、保密性好、能效高等特点，适合开放办公室、会议厅、展馆、飞机与列车客舱这类高密度室内场景；再与室内高精度光感知结合，还可以支撑健康监测、跌倒检测、人员识别等智能应用（S1、S6）。论文展望中，超表面未来还可能承担宽视场光接收、高精度定位，以及用于信道优化的智能反射面（RIS，Reconfigurable Intelligent Surface）等角色（S1）。值得注意的是，这些设想需要光源、波束调制、接收与定位技术整体推进，也绕不开视距遮挡、信道动态管理等系统级问题——超表面分束器解决的是其中”空间复用”这一环，而这一环已经跑通了从毫米级器件到太比特级容量的完整链路（S1）。东南大学新闻网也以官方口径确认了该成果的发表与作者单位（S4）。
参考资料
- Wu Y, Chen J, Wang Y, et al. Tbps wide-field parallel optical wireless communications based on a metasurface beam splitter. Nature Communications 15, 7744 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52056-4（PMC 开放全文，CC BY 4.0）
- PubMed 题录：PMID 39232003
- 东南大学新闻网：张在琛教授团队在《自然通讯》发表无线光通信方向最新研究成果
- Tao J, et al. Mass-manufactured beam-steering metasurfaces for high-speed full-duplex optical wireless-broadcasting communications. Advanced Materials 34, 2106080 (2022). DOI: 10.1002/adma.202106080
- Koonen T. Indoor optical wireless systems: technology, trends, and applications. Journal of Lightwave Technology 36, 1459–1467 (2018). DOI: 10.1109/JLT.2017.2787614