Laser & Photonics Reviews:基于信息超表面的高效率电磁时空操控

近年来,信息超表面因其可实时调控电磁波传播特性的独特能力引起了人们的广泛关注,并随之衍生出很多具有优异特性的电磁器件。其中,基于时空联合调制理论的时空编码信息超表面突破了传统超表面只在空间维度操控电磁波的限制,增加了时间维度的调控自由度,可有效控制电磁波的频谱分量,进而实现了对电磁波时域-空域-频域的全方位操控。然而,由于目前可调技术能力的限制使调控维度单一(幅度/相位)、调控范围低、损耗大,因此信息超表面在频域控制上受困于转换效率低、频谱污染大等缺陷,严重阻碍了其实用化进程。

针对这一问题,东南大学毫米波国家重点实验室程强教授和崔铁军院士课题组(第一作者为戴俊彦博士)及合作者结合频率综合原理进行了深入探讨。首先,利用信息超表面在时间维度上对电磁波的相位进行连续线性变化,使其频率高效地转化至某一阶谐波上;其次,结合傅里叶时移特性在空间维度上引入额外的相位梯度,使其谐波波束指向特定方向。理论分析表明,该方法的频率转换效率可达100%,并且时移特性所引入的额外相位并不会影响频率转换效率。在实验中,该研究团队设计了一款具有大相位调控范围,低回波损耗的信息超表面用于理论验证。实际测试最终获得了高达88%的频率转换效率与超过21dB的干扰谐波抑制比,并同时实现了对谐波波束的灵活操控。值得说明的是,与传统频率综合+波束赋形的解决方案相比,该方法并不需要复杂的控制流程与昂贵的射频电路,并且在信息超表面处就实现了所需功能,因此具有低成本,低复杂度,高集成度等优势。

研究者们认为,这种全新的时空编码方式不仅为信息超表面提供了新的设计思路,还会提升信息超表面在诸如非线性谐波操控、直接信息调制、伪多普勒效应等方面的性能,并将加快基于信息超表面的各类器件与系统的研究,尤其是在通信、雷达、成像等相关领域。相关论文在线发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201900133)上。