随着6G网络的普及和发展，水下物联网数据吞吐量与网络规模日益提升，因此需要高稳定性、低时延、大容量的水下无线光通信（UWOC）为海洋科技带来革命性的变化。目前，水下无线光通信面临的主要挑战在于普遍存在的时变且复杂的信道特征。对于水下链路中的扰动，如气泡，湍流或障碍物等，基于传统高斯光束的无线光通信系统接收光束的质量存在显著的下降，这主要表现在光强度的下降以及光束质心的剧烈漂移运动，因此难以实现在长距离下保持稳定且高速的数据传输。
近日，复旦大学信息科学与工程学院迟楠、沈超团队与鹏城实验室余少华院士、哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授等合作，共同研制了一种基于超表面的全彩圆形自动聚焦艾里光束发射器，该超表面设计在宽带（440-640 nm）上表现出高偏振转换效率，可将无线光通信系统数据传输率提高91%，并在基于波分复用（WDM）的UWOC数据链路中实现可靠的4K视频传输。近日，相关研究成果以《基于超表面的全彩圆形自动聚焦艾里光束发射器用于稳定高速水下无线光通信》（“A metasurface-based full-color circular auto-focusing Airy beam transmitter for stable high-speed underwater wireless optical communications”）为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该研究促进了可见光RGB艾里光束激光光源的发展，为可靠、高速的水下无线数据链路提供了解决方案。
图1 基于传统高斯光束的 UWOC 系统的示意图，以及提出的基于超宽带多波长艾里光超表面发射机的自适应链路方案
在传统无线光通信链路中（图1），蓝色（~450 nm）波段被认为是UOWC的最佳通信波长，因为其在纯水下的最小衰减系数为0.007 m-1。但随着杂质浓度变大，最佳波长会红移。而红光在叶绿素含量高的水域（如近海水域等）具有明显传输优势。因此，采用RGB多波长光源代替单色蓝光的UOWC系统在跨水域传输时具有更好的性能。图1 (ii)显示了高斯光束的强度分布。当水下通道中存在障碍物时，会出现显着的光损耗，导致接收光功率(ROP)大幅降低。此外，由于 UWOC 链路中存在气泡而导致的空气-水湍流会对接收端光功率（ROP） 造成严重干扰（图 1(iv)）。当 ROP 水平低于一定的门限时，误码率（BER）将超过前向纠错（FEC）阈值，产生误码。为了支持高可靠性、大容量、长距离的UWOC系统，作者提出了一种使用RGB三色艾里光束的水下无线激光通信方案（图1a）。在发射端，三色激光Triser模块产生准直 RGB 激光束。使用多波长激光源，我们可以根据不同的水质自适应地选择最佳波长，并通过WDM方案增加传输容量。RGB 自聚焦艾里光束是通过设计的超宽带超表面生成的，光束的强度分布如图1(i)所示。整个通带内的高转换效率可防止光功率的大量损失。在自聚焦区域，小规模障碍物造成的阻碍被旁瓣中携带的能量减轻。在发散区域内，由于艾里光束独特的圆形能量分布，提高了系统对障碍物的适应性。在存在气泡的情况下，艾里光束的强度分布表现出抗扰动的鲁棒性。接收到的波束和数据信号如图1(iii)所示。有限孔径的光电探测器可以尽可能接收极其稳定的ROP，这意味着原始二进制码流将可在接收端被完美恢复。
图2 超宽带自聚焦艾里光束超表面设计及其转换性能
在该方案中，超表面的相位分布是由立方相位叠加菲涅尔相位产生的（图2a），这样设计的好处是可以灵活利用菲涅尔透镜的焦距，同时生成一系列具有可控焦距、窄光束宽度和延长传播距离的艾里光束。作者构建的宽谱超表面单元结构由周期为300 nm的SiO2为基底和堆叠高度为800 nm的TiO2纳米柱组成（图2b）。根据PB相位原理，当入射光束为圆偏振光时，超表面单元的旋转角度为设计相位的两倍，相当于半波片，可以改变光束的偏振方向同时转换入射光。因此，优化单元的偏振转换效率（PCE）对于艾里光束的产生效率至关重要。作者选择90 nm长度和260 nm宽度为进行设计，455 nm、517 nm和637 nm三个波长下的转换效率分别为79.6%、90.2%和76.0% （图2c）。图2d显示了制造的艾里束超表面的SEM图像，这表明制备的超表面具有较高的垂直度和均匀性。
图3 基于艾里光激光发射机的UWOC系统在不同气泡环境和传输距离条件下的传输性能
在传输实验中，作者通过对 UWOC 系统性能的详细实验分析，评估了艾里光对障碍物和气泡扰动的抵抗能力。与高斯光束相比，自聚焦圆形艾里光束独特的强度分布及其自愈特性使其具有优异的抗干扰稳定性（图3）。此外，高效的超表面最大限度地减少了传输端的光损耗，并且多波长的利用可以适应不同的水质环境和传输距离（图3c）。通过多波长传输实现的总数据速率在100 m的等效距离上超过20 Gbps（图3d），凸显了所提出自适应系统的巨大传输能力。为了演示该系统的应用前景，作者搭建了复杂水域下4K 超高分辨率视频传输系统并对视频的鲁棒传输进行了测试（图4）。结果显示基于艾里光的 UWOC 链路可在具有挑战性的信道中实现无差错高质量的4K视频流接收，系统表现出轻微的 BER 波动，满足 FEC 门限可实现无误码传输。另一方面，接收光束质量的结果表明，自聚焦圆形艾里光束具有比高斯光束更集中的质心分布和更高的光功率。未来若进一步利用光学自适应补偿进行波束恢复，该方案有望成为6G时代水下无线通信链路的解决方案之一。这项研究提出了一种设计和制造高效可见超宽带圆形自聚焦艾里光超表面的方法，通过在复杂通道中实现稳定的 >20 Gbps数据传输，显著扩展了基于激光的水下无线光通信UWOC系统的应用范围，为抗干扰、可靠、高速的水下无线数据链路提供了解决方案。
图4 使用全彩超表面的UWOC系统在水下4K视频流鲁棒传输中显示出优异性能复旦大学类信息科学与工程学院的在读博士研究生胡俊辉为本文第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院的郭泽渊是共同第一作者，复旦大学信息科学与工程学院的迟楠、沈超以及哈尔滨工业大学（深圳）的肖淑敏为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中移动与中关村创新院、江苏省重点研发计划等的支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47105-x
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