近日，東南大學(xué)崔鐵軍院士研究團(tuán)隊(duì)和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授合作，提出、設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種具有強(qiáng)重構(gòu)能力、雙通道獨(dú)立可編程超表面。該雙可編程超表面具有獨(dú)立控制接口，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)x極化和y極化電磁波進(jìn)行獨(dú)立編程調(diào)控，從而可實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)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(gè)相互獨(dú)立的信息傳輸通道，進(jìn)而大大提升可編程超表面的信息處理能力。

相關(guān)研究成果以“Polarization-controlled dual-programmable metasurfaces”為題發(fā)表在綜合學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》上。論文通訊作者為東南大學(xué)蔣衛(wèi)祥教授、崔鐵軍教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授，第一作者為東南大學(xué)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(zhǎng)人工單元在二維平面內(nèi)周期或非周期排布構(gòu)成的超薄平臺(tái)，在調(diào)控電磁波方面展現(xiàn)了強(qiáng)大的能力。特別是動(dòng)態(tài)超表面，在外部控制信號(hào)下能對(duì)電磁波進(jìn)行人為動(dòng)態(tài)調(diào)控。目前已有的動(dòng)態(tài)超表面大部分是可調(diào)超表面和可重構(gòu)超表面。可調(diào)超表面的功能可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)，但功能類(lèi)似；可重構(gòu)超表面能獲取顯著不同的功能，但功能數(shù)有限。為了實(shí)現(xiàn)很多個(gè)不同功能的實(shí)時(shí)調(diào)控與切換，崔鐵軍教授等人于2014年提出將數(shù)字編碼表征和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）引入到動(dòng)態(tài)超表面設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程超表面。可編程超表面可以在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)很多種完全不同的功能，且功能可以按照編寫(xiě)好的程序?qū)崟r(shí)切換。然而，大部分已有可編程超表面只能在預(yù)先設(shè)計(jì)的特定極化電磁波照射下才能表現(xiàn)出可編程特性，在其它極化電磁波照射下其依然表現(xiàn)為靜態(tài)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(shí)時(shí)調(diào)控，僅能提供一個(gè)有效的信息傳輸通道，因此只能在一個(gè)通道上串行處理多個(gè)任務(wù)，制約了并行處理多任務(wù)的能力。

為了提升超表面的信息處理效率和多任務(wù)處理能力，科研人員開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙極化超表面，能在不同極化下表現(xiàn)出不同的電磁響應(yīng)，進(jìn)而能夠并行地提供兩個(gè)獨(dú)立的信息通道。相比于單極化超表面，雙極化超表面能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的功能，例如多通道信息處理、偏振分割多路復(fù)用以及雙極化口徑共享等。因此，基于雙極化超表面能實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的功能器件。然而，目前已有的雙極化超表面是靜態(tài)或僅能微調(diào)，其功能無(wú)法被實(shí)時(shí)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(tǒng)中的應(yīng)用。

為了解決上述難題，在該工作中研究人員設(shè)計(jì)了一款可對(duì)x極化和y極化電磁波獨(dú)立調(diào)控的雙可編程超表面。為了實(shí)現(xiàn)該雙編程超表面，研究人員首先精心設(shè)計(jì)了一種可獨(dú)立調(diào)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(shè)計(jì)的金屬圖案，并在x方向和y方向上分別集成了兩個(gè)變?nèi)莨埽ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)的兩條偏壓線可獨(dú)立調(diào)控x方向和y方向上變?nèi)莨艿娜葜担M(jìn)而完成對(duì)x極化和y極化電磁波反射相位的獨(dú)立控制。為了獲得雙編程超表面并實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜電磁功能，研究人員用24x24個(gè)超表面單元進(jìn)行組陣，該超表面陣列中包含48路獨(dú)立控制接口。為了實(shí)現(xiàn)單塊FPGA對(duì)包含多個(gè)獨(dú)立控制接口的雙可編程超表面進(jìn)行有效控制，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展接口電路和直流電壓轉(zhuǎn)換電路。擴(kuò)展接口電路主要由譯碼器和鎖存器構(gòu)成，能將少量FPGA接口以指數(shù)方式大大擴(kuò)展。電壓轉(zhuǎn)換電路主要由晶體管和電阻構(gòu)成，能將FPGA輸出的電壓轉(zhuǎn)換到雙可編程超表面中變?nèi)莨芩杵珘骸Ｒ虼耍罱K研制的雙可編程超表面平臺(tái)具有豐富的可編程性，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)復(fù)雜電磁功能。作為實(shí)驗(yàn)演示，研究人員在單個(gè)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高集成度的電磁器件和系統(tǒng)提供了技術(shù)新途徑，有望在基于波的邏輯運(yùn)算平臺(tái)、高速掃描雷達(dá)和多通道空間光處理器等先進(jìn)器件和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。