文献解读 | 全彩艾里光束超表面发射器：水下无线光通信如何抗遮挡与气泡
一句话结论：立方相位加透镜相位，一片 TiO₂ 超表面生成全彩自聚焦艾里光束，8 mm 遮挡下仍传 19.9 Gbps。
论文简介
2024 年 4 月，复旦大学、哈尔滨工业大学（深圳）与鹏城实验室的合作者在 Nature Communications 第 15 卷发表 A metasurface-based full-color circular auto-focusing Airy beam transmitter for stable high-speed underwater wireless optical communications（面向稳定高速水下无线光通信的全彩圆对称自聚焦艾里光束超表面发射器；DOI: 10.1038/s41467-024-47105-x，开放获取，CC BY 4.0）。作者为 Junhui Hu、Zeyuan Guo、Jianyang Shi 等，文章号为 2944。
一句话贡献：作者用一片覆盖 440–640 nm 的 TiO₂ 超表面，把红、绿、蓝（red–green–blue，RGB）三台激光器输出的高斯光束同时转换成圆对称自聚焦艾里光束（circular auto-focusing Airy beam，CAFAB），再把这三种波长复用进一条水下无线光链路；在遮挡和气泡扰动下，接收功率与数据速率都比同条件的高斯光束链路更稳。
这篇论文值得单独解读的地方，是它把三件事放进了同一套可复算的参数里：艾里光束的哪个性质对应哪项抗扰动收益、一片超表面怎样在可见光波段同时覆盖 RGB、以及这些收益在什么条件下会消失。
水下光通信的麻烦不只是“水吸收光”
水下无线光通信（underwater wireless optical communication，UWOC）用光代替射频，在短距离内提供很高的带宽。它的信道却比自由空间更苛刻：水会吸收和散射光子，悬浮颗粒会遮挡光束，气泡会在光路上形成快速变化的“水—气”折射率扰动。接收端看到的不只是平均功率下降，还有随时间起伏的功率抖动；当接收光功率低于阈值，误码率就会越过前向纠错（forward error correction，FEC）门限，链路虽然“有光”却传不了数据。
波长的选择本身就受水质影响。论文给出的数据是：纯水中蓝光的衰减系数约 0.007 m⁻¹，是最低的一档；当杂质浓度高于 8 g/m³ 时，绿光的衰减反而最小；红光在短距离内有速率优势，在高叶绿素水体中也有更长的衰减长度。传统 UWOC 多用一条蓝光高斯链路，它的优点是光源成熟、探测器简单，缺点是只押注一个波长，遇到浑浊水体或强气泡扰动时没有退路。
高斯光束还有另一个问题：能量集中在横截面的中心。一个不大的遮挡物挡在光路中央，就会切掉很大一部分功率；被挡住的部分不会自己补回来。论文的出发点很直接：换一种横向能量分布更“分散”的光束，让局部遮挡只损失局部能量，再让多个波长互为备份。
图 1：传统蓝光高斯链路与全彩艾里光束自适应链路。(a) 红、绿、蓝三台激光器经超表面转换为 CAFAB，再通过波分复用发射；插图为 CAFAB 与高斯光束的强度分布对比。(b) 传统方案只用蓝光高斯光束，遇到水下遮挡和气泡时，波束质量与误码率都会恶化。
艾里光束为什么能扛住局部遮挡
艾里光束（Airy beam）是旁轴波动方程的一类解。它的横向场由艾里函数描述，最直观的生成方式是在光瞳面加载一个立方相位，再用透镜做傅里叶变换：立方相位的傅里叶变换正好给出艾里函数。理想情况下，艾里光束的主瓣在传播中不扩散，并且沿一条抛物线轨迹“自加速”地偏折；实际光束能量有限，这种无衍射和自加速只能在一定传播距离内保持，但旁瓣结构仍然保留。
旁瓣是它抗遮挡的关键。高斯光束的能量几乎都集中在中心主瓣，挡住中心就切掉了大部分功率；艾里光束在主瓣两侧还有一串逐渐衰减的旁瓣，局部挡住主瓣后，旁瓣的能量仍能到达接收面，并在后续传播中向阴影区补充，这就是常说的“自修复”（self-healing）。它不是让光绕过障碍物，而是让被挡住的位置由其他横向位置的能量补上；障碍物越大，可补的能量越少，所以这种能力有明确的尺寸上限。
论文用的是圆对称版本：把一维立方相位改成随半径变化的立方相位，再叠加一个透镜相位，得到圆对称自聚焦艾里光束（CAFAB）。高斯光经超表面后，先在 $z=f=1\ \mathrm{mm}$ 处形成带环状结构的圆对称艾里场；继续传播，环上的能量在约 4.6–4.8 mm 处向中心汇聚，形成一个突然变亮的小焦点。这里有两个不同的距离，把成束面与自聚焦面混为一谈，就会误读后面的光场图。
一片 TiO₂ 超表面怎样同时做出 RGB 艾里光束
超表面的相位分布写成
$$ \varphi_{\mathrm{meta}}(r)=\frac{(2\pi b_1)^3(r-r_0)^3}{3}-\frac{2\pi\left[\sqrt{(r-r_0)^2+f^2}-f\right]}{\lambda}. $$
第一项是立方相位，负责把高斯光束“变成”艾里光束；第二项是菲涅耳透镜相位，负责把艾里场成在焦距 $f$ 处。$r$ 是到超表面中心的径向坐标，$r_0$ 是主瓣半径，$b_1$ 是衰减系数，$\lambda$ 是入射波长。论文取 $r_0=55\ \mu\mathrm{m}$、$b_1=0.01\ \mu\mathrm{m^{-1}}$、$f=1\ \mathrm{mm}$；这些参数决定了主瓣的位置、旁瓣的衰减速度和自聚焦的距离。
要把相位真正写到器件上，靠的是几何相位（Pancharatnam–Berry phase，PB 相位）。每个 TiO₂ 纳米柱被设计成一块微型半波片：入射圆偏振光经过它，偏振旋转到正交圆偏振，同时获得一个等于两倍旋转角的相位，
$$ \varphi_{\mathrm{PB}}=2\theta, $$
$\theta$ 是纳米柱在平面内的旋转角。于是只需改变每个柱子的朝向，就能在 0–2π 内连续设置相位，而不必改变它的尺寸。论文的单元结构是 SiO₂ 衬底上高 800 nm 的 TiO₂ 纳米柱，周期 300 nm，长 90 nm、宽 260 nm；TiO₂ 在可见光透明、折射率高，800 nm 高的柱子足以在三个波段产生接近 $\pi$ 的相位延迟，让每个单元接近半波片。
难点在带宽。大多数几何相位超表面只在设计波长附近效率高，换成另一个颜色，偏振转换效率（polarization conversion efficiency，PCE）就掉下来。论文用同一个单元结构覆盖 440–640 nm：455、517、637 nm 的理论 PCE 分别为 79.6%、90.2%、76.0%，实测按红、绿、蓝顺序为 63.55%、77.5%、63.10%。实测低于仿真，作者归因于纳米加工的尺寸偏差和光路对准；但三个颜色都超过 60%，已经足以让 RGB 三路共用一片器件。
图 2：超宽带 CAFAB 超表面的设计与性能。(a) 立方相位与透镜相位叠加得到的相位分布。(b) 单元结构示意及俯视、侧视尺寸。(c) 440–640 nm 范围内的偏振转换效率。(d) 制备样品的扫描电子显微镜（SEM）图像。
光场测量验证了设计。仿真中，红、绿、蓝三束光在 $z=f$ 处的主瓣位置为 55.6、54.9、54.8 μm，半高全宽（full width at half maximum，FWHM）为 10.2、8.7、8.4 μm；实测主瓣位置为 52.6、54.7、54.8 μm，FWHM 为 8.8、9.3、12.1 μm。实测与仿真同量级，说明加工出的器件确实在三个波长上生成了设计所需的环状场，而不是只在一个颜色上“碰巧”工作。
图 3：455、517、637 nm 下 CAFAB 的仿真与实测。(a) 以超表面为 $z=0$ 的 x–z 传播轨迹仿真，以及 RGB 激光光谱。(b) $z=f$ 处的 RGB 光场仿真。(c) 自聚焦面 $z=4.6$、4.7、4.8 mm 处的仿真光场。(d) $z=f$ 处的实测 RGB 光场。
链路实验：遮挡、气泡与 100 m 等效距离
实验用 637、517、455 nm 三台激光器作光源，三路经波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）合束，再按各通道的信噪比分配比特与功率（bit-power loading）。接收端把光耦合进光纤，分波后分别测误码率。这样的安排让三个颜色各自承载独立的数据流；水质变化时，可以选择衰减最小的波长工作。
先看遮挡。论文用不同直径的挡板放在光路中，测量接收光功率（received optical power，ROP）和数据速率。遮挡直径到 $0.43\omega_0$（约 6 mm）时，RGB Airy 方案比 RGB 高斯方案高 7.3 Gbps；单蓝光高斯链路则比 RGB 高斯低 17.8 Gbps。三通道的 ROP 损耗分别改善 2.41、4.07、7.85 dB。遮挡继续增大到 $0.57\omega_0$（约 8 mm）时，Airy 链路仍有 19.9 Gbps，RGB 高斯降到 9.5 Gbps。论文还给出链路保持的范围：RGB Airy 在遮挡 0–1 $\omega_0$ 内仍能传数据，RGB 高斯在 0.71 $\omega_0$ 时已经无法建立链路。
这里的 $\omega_0$ 容易误读。它不是光束的束腰，而是约 14 mm 的最大发射孔径；$0.57\omega_0$ 对应约 8 mm 的挡板，$1\omega_0$ 对应约 14 mm。也就是说，Airy 方案能在挡板接近整个发射孔径时保持链路，而高斯方案在挡板约七成孔径时就断了。这个对比比“能抗遮挡”四个字更有信息量，因为它给出了失效的边界。
图 4：遮挡对 UWOC 系统的影响。(a)–(c) 红、绿、蓝通道的接收光功率损耗随遮挡尺寸的变化。(d) 数据速率与误码率随遮挡尺寸的变化，比较 RGB Airy、RGB 高斯与单蓝光高斯三种方案。(e) $0.57\omega_0$（约 8 mm）遮挡后的接收光束。
气泡是另一类扰动。气泵流量从 1 L/min 加到 10 L/min，气泡尺寸和数量都增加，高斯链路的归一化 ROP 波动范围可以到 20.83、14.57、17.23 dB；换成 Airy 光束后，三通道的波动范围分别降低 52.44%、30.55%、27.96%。6 L/min 时，三通道 ROP 的标准差分别降低 0.051、0.097、0.20。气泡不会像挡板那样持续遮住一个固定位置，而是让光路折射率快速变化；Airy 光束的旁瓣和较宽的横向能量分布把这种快速抖动平均掉一部分，所以改善体现在“波动变小”，而不只是“平均功率变高”。
表 1：遮挡与气泡条件下两种光束的链路表现对比。表中速率为论文在对应条件下的实测值；$0.43\omega_0$ 与 $0.57\omega_0$ 分别约 6 mm 与 8 mm，$\omega_0$ 指约 14 mm 的发射孔径，不是光束束腰。
| 条件 | RGB 高斯 | RGB Airy |
|---|---|---|
| $0.43\omega_0$ 遮挡 | 基准 | 速率高 7.3 Gbps |
| $0.57\omega_0$ 遮挡 | 9.5 Gbps | 19.9 Gbps |
| 链路保持范围 | 到 $0.71\omega_0$ 中断 | $0$–$1\omega_0$ 仍可传输 |
| 10 L/min 气泡 | 基准 | ROP 波动降低 27.96%–52.44% |
距离实验用吸收型中性密度滤光片按水的光谱衰减系数折算“等效距离”，不是把设备放进 100 m 长的水槽。纯水条件下，100 m 等效链路的三通道总速率为 20.1 Gbps；在含 $0.43\omega_0$ 遮挡与中等气泡的水体（论文称 water II）中，加超表面后总速率从 6.32 Gbps 提升到 12.1 Gbps：
$$ \frac{12.1-6.32}{6.32}\approx0.915, $$
与论文报告的 91% 提升一致。这个数字说明光束整形的收益在“衰减+遮挡+气泡”同时存在时仍然成立，但它对应的是特定水质与特定遮挡条件，不能外推成所有水下链路都能翻倍。
图 5：系统对气泡与传输距离的响应。(a) 不同气泵流量下归一化接收光功率的统计。(b) 三种气泡尺寸下的数据速率分布。(c) 纯水与含遮挡/气泡水体中 RGB 通道速率随等效距离的变化。(d) 三通道总速率随等效距离的变化。
最后是视频演示。三路 WDM 承载 4K 视频码流，加超表面的链路逐帧峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio，PSNR）约 43 dB，结构相似性（structural similarity，SSIM）高于 99.3%；不加超表面的高斯链路平均 PSNR 只有 19.62 dB、SSIM 49.02%，只能恢复部分画面。这里的“稳定接收”是经过 FEC 译码后的结果，不是原始误码为零；论文的误码率约 $3.8\times10^{-3}$，正好落在硬判决 FEC 的常用门限附近。
适用边界与待推进方向
这套方案的第一条边界是波长数量。论文只做了红、绿、蓝三个波长，WDM 的通道数有限；如果要继续提速，需要增加波长或提高单通道符号率，而超表面的带宽、激光器的可用谱线、接收端的分波器都会成为约束。第二是距离：100 m 是等效衰减，不是真实长距离传输；真实水体中的束流扩展、湍流演化和多次散射没有在实验中完整出现，外场试验仍是必须的一步。
第三是“自适应”的含义。这里的自适应是发射端在三种波长之间切换、并利用 Airy 光束的固定横向分布抗扰动，不是根据实时波前测量做闭环校正。常规自适应光学靠波前测量加可变形元件做闭环校正，能跟踪动态像差，但系统更复杂；本篇把复杂度放在发射端的一片超表面上，光束整形本身是无源的，代价是只能对一定尺度的遮挡和扰动有效。两者并不互斥，论文也把与光学自适应补偿结合列为后续方向。
第四是效率与工程化。实测 PCE 在 63%–78% 之间，意味着发射端已经损失了两到四成能量；对水下链路这种功率紧张的场景，每一步损耗都要算进链路预算。TiO₂ 纳米柱的制备均匀性、封装后的对准、长期浸泡的稳定性，论文没有给出量产级数据。4K 视频是在实验室水箱中、经 FEC 后稳定解码的演示，不等于已经满足现场部署的可靠性要求。
意义与展望
这篇工作的价值，是把“光束的横向形状”当成一种可设计的链路资源。过去提高 UWOC 可靠性，常见思路是加大发射功率、换更敏感的探测器、或者加自适应光学闭环；这篇论文换了一个入口：用一片超表面在发射端把高斯光束整形成 CAFAB，让能量在横向上重新分布，再用 RGB 三波长给水质变化留出选择空间。三件事——艾里光束的旁瓣、超表面的可见光宽带、WDM 的波长冗余——各自都不是全新的，但被放进同一条链路后，遮挡和气泡下的收益可以落到具体的 Gbps 与 dB 上。
对光通信系统而言，这种“发射端波前工程”提供了一条低延迟、无需闭环反馈的路线。它不一定替代自适应光学，但可以在链路预算里先吃掉一部分信道损耗，把闭环校正的压力降下来。可见光超表面的单单元宽带设计也值得注意：同一个结构覆盖 440–640 nm，意味着红、绿、蓝可以共用一片器件，不必为每个波长各做一片。
接下来的推进方向很具体：把实验从水箱推到外场，验证真实湍流与长距离下的收益；增加波长数或通道数，把 20 Gbps 级的总速率继续往上推；把超表面与激光器、探测器集成，减少对准和封装损耗；再与闭环自适应光学比较，明确什么条件下无源光束整形更划算。这些条件没有被验证之前，它是一项有明确物理依据和实验支撑的链路方案，而不是已经可以部署的通用产品。
参考资料
- J. Hu, Z. Guo, J. Shi, X. Jiang, Q. Chen, H. Chen, Z. He, Q. Song, S. Xiao, S. Yu, N. Chi, C. Shen. A metasurface-based full-color circular auto-focusing Airy beam transmitter for stable high-speed underwater wireless optical communications. Nature Communications 15, 2944 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47105-x
- 同一论文的开放获取全文镜像：PMC10997589. PMC10997589
- G. A. Siviloglou, D. N. Christodoulides. Accelerating finite energy Airy beams. Optics Letters 32(8), 979–981 (2007). DOI: 10.1364/OL.32.000979
- G. Schirripa Spagnolo, L. Cozzella, F. Leccese. Underwater Optical Wireless Communications: Overview. Sensors 20(8), 2261 (2020). DOI: 10.3390/s20082261
- A. I. Kuznetsov, M. L. Brongersma, et al. Roadmap for Optical Metasurfaces. ACS Photonics 11, 816–865 (2024). DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00457