登刊《Nature Communications》：两步骤形状优化方法实现高效率超表面波束形成器，助力6G光通信

导语近日一项发表于《Nature Communications》的研究引发广泛关注(https://doi.org/10.1038/s41467-026-70665-z)。来自中国的研究团队成功开发出一种形状优化的超表面波束形成器在光学无线通信领域实现了重大突破。该技术不仅实现了高达80°的超宽光束偏转角还保持了80%以上的高效率光束调控为下一代6G移动通信网络的发展提供了全新的技术路径。核心内容研究团队提出的两步骤形状优化方法与传统拓扑优化方法不同主要体现在第一步在优化过程中对自由形状结构的分辨率施加约束确保最终结构的最小特征尺寸在制造能力范围内。采用基于伴随的梯度下降法计算目标函数的梯度并迭代更新相对介电常数分布。通过形态集合优化策略在每次迭代中生成多个中间结构共同引导介电常数分布的更新。第二步通过细化网格像素尺寸更小增加设计自由度。通过指数函数调制逐步应用来自前一结果的抑制掩模保持第一步建立的制造约束。在特定迭代中应用自适应形态学操作包括开运算和闭运算消除难以制造的细微结构特征。通过这种方法研究团队成功实现了高达80°的光束偏转角度正向和反向的调制效率均接近80%。这充分展示了其双向高性能能力。实验验证从理论到实践的全面突破研究团队对所设计的形状优化超表面SOM波束形成器进行了全面表征包括光束偏转效率和通信误码率BER。实验结果显示在80°偏转角下SOM的绝对偏转效率是规则形状超表面RSM的三倍以上在相同光功率下SOM的误码率明显低于RSM眼图张开更大对于80°的后向偏转SOM实现相同误码率所需的光发射功率比RSM低约7dB研究意义1.解决长期存在的效率-制造权衡问题研究提出的两步骤形状优化方法通过动态分辨率控制和渐进式结构抑制有效解决了光学性能与可制造性之间的长期权衡问题使自由形状超表面的实际应用成为可能。2.显著提升通信性能通过SOM实现的高效率、大角度光束偏转能够在大视场位置保持高通信质量大偏转角链路的BER性能接近0°的最优性能。3.紧凑集成适应未来需求超表面波束形成器能够在毫米甚至亚毫米尺度内实现高性能光学链路可嵌入到小型无人机等紧凑平台中促进敏捷通信系统或中继站的部署。4.为6G发展提供全新方向研究提供的SOM-OWC系统兼具高效率、宽角覆盖、全双工、长传输距离、高传输速率和多通道并行通信能力为下一代无线通信系统的发展提供了全新的技术路径。5.设计策略的普适性研究团队指出这种方法也可扩展到优化不同通信功能的更复杂光束偏转调制结构在需要根据连接到各基站的用户数量调整光链路能量分配的场景中特别有用。图1基于超表面的光学无线通信系统中信号传输方法概览图2两步骤形状优化算法示意图图3形状优化超表面波束形成器性能表征图4高效率、宽视场和全双工5G视频通信系统演示图5基于200米、60°偏转的SOM的OWC链路实现的全双工视频通信系统演示图6基于20米、60°偏转的SOM的OWC链路实现的225Gbps DWDM OWC系统图7全向超宽视场OWC系统设计【注】小编水平有限若有误请联系修改若侵权请联系删除