文献解读 | 液晶超表面角度放大波束控制：双向 200 Gbps 无线光通信覆盖 20°×20° 视场（Nanophotonics 2024）

论文简介

这篇论文解读的是中国信息通信科技集团（CICT）光纤通信技术和网络全国重点实验室、鹏城实验室与武汉大学等单位合作，发表于 Nanophotonics 的工作：Bidirectional high-speed optical wireless communication with tunable large field of view assisted by liquid crystal metadevice（DOI: 10.1515/nanoph-2024-0434，开放获取，CC BY 4.0；PMC 全文）。论文 2024 年 8 月投稿、9 月接收并在线发表，正式版刊于 13 卷 23 期 4347–4356 页；共同第一作者为 Mian Wu 与 Chao Yang，通讯作者为 Shaohua Yu（鹏城实验室）与 Jin Tao（CICT/鹏城实验室）。

一句话贡献：作者给“扫描角很小但灵活可编程”的硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）器件配了一套由液晶四分之一波片（quarter-wave plate，QWP）和两片液晶金属透镜组成的“角度放大镜”，把 LCoS 约 7°×7° 的波束扫描范围连续放大到约 20°×20°，并在此基础上搭建了双向相干无线光通信链路——下行与上行各用 200 Gbps 的 16QAM 信号，在 1.5 m 自由空间距离上验证了 S、C、L 三个波段的传输，C 波段及相邻波长的误码率低于软判决前向纠错（soft-decision FEC）阈值 2.4×10⁻²。

为什么光束“指得准、扫得宽”这么难

无线光通信（optical wireless communication，OWC）的思路很直接：不把光关在光纤里，而是让一束经过准直的激光穿过自由空间到达接收端。它借用的是光纤通信已经成熟的 S+C+L 波段（约 1,460–1,625 nm）器件，又省去了布纤成本，适合作为室内接入、数据中心机柜间或“最后一段”的高速连接。但自由空间传播带来一个光纤里不存在的问题：光束必须被主动指向用户，而且用户可能在移动。于是“波束控制”成为决定系统可用性的关键部件。

传统上有几类方案，各有各的取舍。机械式微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）反射镜扫描角大、损耗低，但有活动部件，体积大、可靠性受振动影响。空间光调制器（spatial light modulator，SLM）或 LCoS 用电寻址的液晶像素阵列产生任意相位图，灵活性和可编程性最好，但像素尺寸在微米量级，能把光束掰弯的角度通常只有几度。衍射光栅可以一次把光分成很多束，覆盖大视场，但分束方向固定，无法按需动态调向。换句话说：大视场、多光束、可调性，这三个要求很难在一套器件里同时满足。

超表面在这条赛道上一直是被寄予厚望的候选：它的亚波长单元能在平面上逐点控制相位，做成的“平面镜/平面透镜”薄而轻，不存在机械部件。但把超表面用于主动波束控制时同样遇到角度问题——如果靠电压调谐每个单元的响应，可调范围通常有限；如果靠机械平移两片级联超表面，又需要精密对准。论文作者此前的方案是“SLM + 超表面”做九区域广播，每区 10 Gbps，但受 LCoS 像素尺寸限制，每个区域内的扫描角仍只有约 3°。本文的思路换了一个方向：不去硬造一个能直接大角度扫描的超表面，而是把“小角度但灵活”的 LCoS 与“按设计精确偏折”的液晶超表面组合起来，用超表面做光学上的角度放大器，把小角度扫描放大成大视场扫描。

方案：给 LCoS 配一副“液晶角度放大镜”

器件结构可以分成两段来理解。第一段是 LCoS：线偏振的信号光以 45° 入射到 LCoS 反射面上，LCoS 对波前施加可编程相位，实现小角度二维扫描，本工作中它的配置扫描范围是 7°×7°（从 −3.5° 到 +3.5°）。第二段就是论文的主角——由三片液晶功能层构成的超表面组：一片液晶 QWP 与两片液晶金属透镜 L1、L2，其中 QWP 与 L1 共用中间基片集成在一起，L2 单独一片，整体封装后紧贴 LCoS 放置。光路上，线偏振光先被 LCoS 偏转，经过 QWP 后转成左旋圆偏振（left circularly polarized，LCP），再穿过金属透镜对完成角度放大。

图 1：LC 超表面器件辅助的 OWC 系统。(a) 高速 OWC 系统概念图：站端 LCoS 提供小角度可编程扫描，液晶超表面组把出射角放大，覆盖 20°×20° 视场指向动态用户。(b) 两片液晶金属透镜的角度放大原理：透镜对按共焦方式放置，入射偏转角 θ 被放大为 Mθ。(c) 液晶超表面“三明治”单元结构示意（硅基片 + 取向膜 + 液晶功能层）。

两片金属透镜之所以能放大角度，靠的是几何光学里经典的“共焦透镜对”思想。设 L1、L2 的焦距分别为 f1 与 f2，把它们相距 f1+f2 放置，使两片透镜的焦点重合；平行光先被 L1 会聚，再被 L2 准直，出射时偏转角被放大：

$$M = -\frac{f_1}{f_2}$$

f2 取负号，表示 L2 是发散透镜（f1 与 f2 异号时 M 为正放大）。本设计中 f1=21 mm、f2=−7 mm，代入得 M=−21/(−7)=3，即 LCoS 转 1°，输出光束转 3°——这就是“7° 变 21°”的来源。两片透镜分别只有 6 mm 与 4 mm 的有效孔径，却把一套通常需要厚而重、表面弯曲的常规透镜组（论文与等效数值孔径约 0.2 的传统透镜比较）压缩成两片平面薄膜，厚度和像差校正都大幅简化。

实现上，液晶金属透镜采用 Pancharatnam–Berry（PB）相位机制：每个像素里液晶指向矢相对基准转过角度 γ，透过光就获得 2γ 的几何相位，通过图案化 γ 的分布可以覆盖完整的 2π 相位。透镜相位按双曲剖面设计：

$$\varphi(r) = -\frac{2\pi}{\lambda}\left(\sqrt{r^2+f^2}-f\right)$$

其中 r 是像素到透镜中心的距离，λ 是设计波长，f 是焦距。QWP 则不同，它靠液晶双折射层累积 π/2（或其奇数倍）的传播相位差，把线偏振转成圆偏振。这里偏振顺序很关键：QWP 必须放在前面，因为两片 PB 金属透镜只在 LCP 入射时才按设计工作；如果进来的是右旋圆偏振，几何相位反号，L1 与 L2 的焦距都会变号，共焦关系被破坏，角度放大就失效了。反过来，这也意味着上行光（从用户端返回）只要先以 LCP 穿过超表面组，就会被转换成与 LCoS 调制效率最高的线偏振方向对齐，实现“往返都能用同一套器件”。

图 2：制备好的液晶超表面组。(a) 封装后的实物照片，插图分别是含 QWP+L1 的三基片样品与含 L2 的两基片样品。(b) QWP、L1、L2 的偏光显微照片，插图给出对应的液晶指向矢取向分布局部放大；QWP 取向均匀，两片透镜呈不同的二次曲线取向分布。比例尺 0.1 mm。

工艺方面，论文用的不是电子束刻蚀硅柱，而是成熟的液晶元件制造路线：在硅基片上旋涂偶氮染料取向膜，用无掩模直写激光光刻把设计好的取向分布“写”进膜层，再旋涂液晶并紫外固化。QWP 与 L1 共享中间基片，整体做成“三基片 + 两基片”两件套。论文特别强调，这套液晶取向与封装工艺在显示行业已经商业化，与需要昂贵光刻的超表面相比，批量制造门槛更低。设计中还考虑了可制造性：透镜边缘相位变化最快，对应取向周期最短，论文按边缘周期不小于 5 µm 的约束反推 L1、L2 的孔径与焦距组合，并在两个透镜上分别采用 0.91 µm 与 0.47 µm 的像素尺寸（直径方向分别有 6,593 与 8,510 个像素），保证边缘相位仍有足够多的离散台阶。

表征：斜率 3 的线性放大与连续二维跟踪

先看最核心的一个问题：放大倍数到底准不准？论文在 1,550 nm 用准直激光以 45° 入射 LCoS 反射面，逐点改变 LCoS 施加的偏转角，测量输出光束的偏转角。实测数据很好地落在斜率等于 3 的拟合直线上——放大是线性且连续的，不是分立的几个档位。正因为 LCoS 本身是 7° 连续可调，放大后的视场也连续可调，论文在器件层面给出约 21° 的连续 FOV，在系统演示中按链路覆盖范围记为 20°×20°。

效率是另一个关键指标。对不同入射角测量，液晶超表面组的透射效率稳定保持在 83% 以上——两片平面透镜加一片波片的总透过接近 83%，这是相当好的水平。真正吃掉功率的是 LCoS：在 1,550 nm、极化对齐的条件下，反射率 66.7%，调制效率约 64.3%，两者相乘只有约 43% 的总效率，而且调制效率随入射角增大快速下降。论文把原因归结为封装：超表面组的体积遮挡了 LCoS 的最佳入射区，使实际反射角偏离工作角；缩小封装体积是后续明确的改进方向。

图 3：LC 超表面器件表征。(a) 输出偏转角随 LCoS 偏转角变化的实测结果，虚线拟合斜率为 3。(b) 液晶超表面组透射效率（黑线，虚线标出 83%）与 LCoS 调制效率（红线）随入射角的变化。(c)(d) 距 LCoS 0.25 m 的 IR 感光卡上，仅 LCoS（c）与 LCoS+超表面组（d）调制时光斑的连续移动轨迹。(e) 无（上）与有（下）超表面组时四光束点对多点偏转显示。

角度放大不是这篇论文想演示的全部，它还验证了“动起来”和“分开指”两种使用形态。把 IR 感光卡放在 LCoS 前方 0.25 m 处记录光斑轨迹：只开 LCoS 时，光斑可以连续地沿任意二维路径移动；叠加超表面组后，轨迹被放大到约三倍的范围，连续性不变。另一种形态是点对多点：在同一器件上同时生成四束光，分别指向四个位置，放大后的四束光在更大视场内分开得更远。这两种能力对应 OWC 的两种典型场景——跟踪移动用户，以及向多个固定用户广播。

200 Gbps 双向链路：全波段验证与损耗预算

器件表征完成后，论文把它装进一套完整的高速相干 OWC 系统。下行方向用六个波长覆盖 S/C/L 带（1,520、1,530、1,545、1,555、1,570、1,585 nm），每个波长都承载 200 Gbps 的 16 进制正交幅度调制（16-QAM）信号：任意波形发生器以 120 GSa/s 驱动铌酸锂同相/正交（IQ）调制器产生电信号，掺铒光纤放大器（EDFA）放大后经束腰 1.2 mm 的准直器出射，功率约 12 dBm；光束穿过 LC 超表面器件后功率降到 10 dBm 以下（满足眼安全要求），在自由空间传播 1.5 m，由装在多轴位移台上的接收准直器耦合进单模光纤，经相干接收机与 256 GSa/s 示波器采集，最后用离线数字信号处理（DSP）计算误码率。

图 4：LC 超表面器件辅助双向相干 OWC 系统实验。(a) 系统配置示意（上下行共用同一套器件，近似互易）。下行在不同输出角、不同波长下的 (b) 误码率与 (c) 接收功率（源功率固定 12 dBm）；(d)(e) 1,545 nm 处下行与上行在不同输出角的误码率与接收功率（源功率 10 dBm，接收端补偿 2 dB）。虚线为软判决 FEC 阈值 2.4×10⁻²。

结果分三层看。第一层是误码率：在 1,530、1,545、1,555、1,570 nm 四个波长上，整个测试角度范围内误码率都低于软判决 FEC 阈值 2.4×10⁻²；而最靠边的 1,520 与 1,585 nm 性能明显劣化，接收功率很快跌破 −20 dBm。论文给出的解释是 LCoS 的工作带宽主要覆盖 C 波段，S 带与 L 带边缘超出了它的设计范围——问题出在作为“前端”的 LCoS，而不是液晶超表面本身。第二层是角度范围：图里单侧输出角测到 10°，由于器件与衍射级次对称，双侧合起来就是 20°×20° 的二维视场。第三层是上下行一致性：上行链路与下行近似互易，只是接收端多一只 EDFA 补偿 2 dB 的功率差；以 1,545 nm 用户为例，上下行的误码率曲线和接收功率几乎重合，说明同一套“小扫描源 + 角度放大镜”确实可以同时服务来、回两个方向。

为了看清系统还有多少优化空间，论文在 2° 输出角处拆了一笔损耗账：下行总损耗 26.6 dB、上行 26.4 dB。其中 LCoS 反射效率 66.7% 对应 1.76 dB，调制效率约 64.3% 对应 1.92 dB，金属透镜对透射损耗约 0.71 dB；两准直器之间的理论耦合损耗按高斯光束模型估算，下行考虑超表面组把束径收缩 3 倍（1.2 mm 束腰、1.5 m 距离、1,545 nm）约为 5.26 dB，上行因往返束径变化约为 5.11 dB；剩下约 16.9 dB 被归因于光学校准误差与器件固定界面损耗。把这些分项相加：1.76+1.92+0.71+5.26+16.9≈26.55 dB，与实测 26.6 dB 吻合到 0.05 dB 以内。换句话说，超过六成的损耗来自“小扫描源 LCoS + 对准/界面”，而不是来自被寄予厚望的液晶超表面——这也是论文认为换带宽更宽的 LCoS、缩小封装后系统还能明显变好的根据。

意义与展望

这篇论文值得注意的地方，是把“超表面做大角度偏折”和“液晶器件做灵活编程”两种能力做了分工：LCoS 负责任意波形、任意路径的灵活小角度扫描，液晶金属透镜对负责把角度乘以 3，两者通过偏振（QWP + LCP）干净地衔接，避免了大面积可调谐超表面在调谐范围、驱动电压和工艺上的难题。演示结果说明这条“拼接”路线并不牺牲速度——上下行各 200 Gbps 的相干链路、20°×20° 的可调视场和接近互易的双向性能，使它已经接近室内接入或短距无线互连的实用形态，而器件本身只有两片平面液晶膜加上一块商用 LCoS。

从原理验证走向实际应用，仍有几个明确的推进方向。其一，系统视场目前受两级制约：LCoS 扫描角决定“源”的范围，放大倍数与透镜口径决定“输出”的范围；缩小 LCoS 像素、增大超表面口径或提高放大倍数都能把 20°×20° 继续拓宽，但放大倍数与有效孔径之间存在折中（论文给出的制造约束是透镜边缘相位周期不小于 5 µm）。其二，工作带宽受 LCoS 限制，S 带与 L 带边缘的误码率还不理想，换用带宽更宽的 LCoS 或降低封装遮挡带来的效率损失，是提升全波段性能的直接途径。其三，单链路之外，同一器件已经演示了四光束点对多点形态，未来可以在大视场内同时服务多个用户，再配合液晶工艺已有的商业化基础，向可见光（水下 OWC）与太赫兹等 6G 候选频段扩展。它同时提示了一个更一般的设计思路：当单一器件难以同时满足“灵活”与“大范围”时，用超表面做无机械的角度变换级，与成熟的电控光束源组合，可能是比追求单器件全功能更快的工程路径。

参考资料

• Wu M, Yang C, Gong Y, et al. Bidirectional high-speed optical wireless communication with tunable large field of view assisted by liquid crystal metadevice. Nanophotonics 13(23): 4347–4356 (2024). DOI: 10.1515/nanoph-2024-0434；期刊原文页；PMC 全文（开放获取，CC BY 4.0）。
• Wu Y, Chen J, 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 全文（开放获取，CC BY 4.0）。
• Tao J, You Q, Yang C, et al. Beam-steering metasurfaces assisted coherent optical wireless multichannel communication system. Nanophotonics 12(17): 3511–3518 (2023). DOI: 10.1515/nanoph-2023-0352；PMC 全文（开放获取，CC BY 4.0）。
• 论文图 1–4 官方原图文件（PMC 存储，CC BY 4.0，与正文图 1–4 一一对应）：见 PMC 文章配图页。