近日，東南大學崔鐵軍院士研究團隊和新加坡國立大學仇成偉教授合作，提出、設計并實驗驗證了一種具有強重構能力、雙通道獨立可編程超表面。該雙可編程超表面具有獨立控制接口，能夠實時對x極化和y極化電磁波進行獨立編程調控，從而可實現多個復雜和新奇的電磁功能。相比于以往的單極化可編程超表面，該雙可編程超表面能并行提供兩個相互獨立的信息傳輸通道，進而大大提升可編程超表面的信息處理能力。

相關研究成果以“Polarization-controlled dual-programmable metasurfaces”為題發表在綜合學術期刊《Advanced Science》上。論文通訊作者為東南大學蔣衛祥教授、崔鐵軍教授和新加坡國立大學仇成偉教授，第一作者為東南大學博士生張信歌。

極化控制的雙可編程超表面及其功能示意圖

超表面是由亞波長人工單元在二維平面內周期或非周期排布構成的超薄平臺，在調控電磁波方面展現了強大的能力。特別是動態超表面，在外部控制信號下能對電磁波進行人為動態調控。目前已有的動態超表面大部分是可調超表面和可重構超表面。可調超表面的功能可以實現微調，但功能類似；可重構超表面能獲取顯著不同的功能，但功能數有限。為了實現很多個不同功能的實時調控與切換，崔鐵軍教授等人于2014年提出將數字編碼表征和現場可編程邏輯門陣列（FPGA）引入到動態超表面設計中，實現了現場可編程超表面。可編程超表面可以在單一平臺上實現很多種完全不同的功能，且功能可以按照編寫好的程序實時切換。然而，大部分已有可編程超表面只能在預先設計的特定極化電磁波照射下才能表現出可編程特性，在其它極化電磁波照射下其依然表現為靜態特性。由于可編程超表面只能在單一極化電磁波照射下被實時調控，僅能提供一個有效的信息傳輸通道，因此只能在一個通道上串行處理多個任務，制約了并行處理多任務的能力。

為了提升超表面的信息處理效率和多任務處理能力，科研人員開發并設計實現了雙極化超表面，能在不同極化下表現出不同的電磁響應，進而能夠并行地提供兩個獨立的信息通道。相比于單極化超表面，雙極化超表面能實現較為復雜的功能，例如多通道信息處理、偏振分割多路復用以及雙極化口徑共享等。因此，基于雙極化超表面能實現更先進的功能器件。然而，目前已有的雙極化超表面是靜態或僅能微調，其功能無法被實時編程切換，這大大限制了雙極化超表面的多功能性以及在超快切換、掃描系統中的應用。

為了解決上述難題，在該工作中研究人員設計了一款可對x極化和y極化電磁波獨立調控的雙可編程超表面。為了實現該雙編程超表面，研究人員首先精心設計了一種可獨立調控x極化和y極化電磁波反射相位的有源超表面單元。該有源超表面單元具有特殊設計的金屬圖案，并在x方向和y方向上分別集成了兩個變容管，通過設計的兩條偏壓線可獨立調控x方向和y方向上變容管的容值，進而完成對x極化和y極化電磁波反射相位的獨立控制。為了獲得雙編程超表面并實現多個復雜電磁功能，研究人員用24x24個超表面單元進行組陣，該超表面陣列中包含48路獨立控制接口。為了實現單塊FPGA對包含多個獨立控制接口的雙可編程超表面進行有效控制，研究人員進一步設計并實現了擴展接口電路和直流電壓轉換電路。擴展接口電路主要由譯碼器和鎖存器構成，能將少量FPGA接口以指數方式大大擴展。電壓轉換電路主要由晶體管和電阻構成，能將FPGA輸出的電壓轉換到雙可編程超表面中變容管所需偏壓。因此，最終研制的雙可編程超表面平臺具有豐富的可編程性，能夠實現多個復雜電磁功能。作為實驗演示，研究人員在單個平臺上實驗驗證了三種不同的電磁功能，分別是用于圓極化波自旋控制的異或邏輯運算、定頻大角度雙波束掃描和雙極化口徑共享。該雙可編程超表面為實現大規模、高集成度的電磁器件和系統提供了技術新途徑，有望在基于波的邏輯運算平臺、高速掃描雷達和多通道空間光處理器等先進器件和系統中獲得應用。