图1 全息通信系统的应用场景和方案架构示意图
1. 导读
随着全息技术快速发展，科学家和工程师们开始思考如何将这项技术更好地应用于其他设备和系统中，诞生了AR、VR眼镜等代表性应用。同时，全息通信作为一种能对目标信息进行感知、编码、传输、解码和复现的智能应用方案，是未来革命性通讯方式之一，在自适应电磁功能开发及近场通信应用方面具有重要应用前景。然而，现有全息成像器件主要工作在光波段，存在成本高、功能单一、可编程性弱等问题。同时，目前全息通信应用场景构思聚焦于现实信息的直接可视化，应用场景单一，系统安全性弱。
针对上述问题，近日空军工程大学许河秀教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套全息通信策略，采用深度摄像头和软件无线电平台，利用双旋向解耦可编程超表面对空间电磁波的灵活可重构性，再通过新编码和解码方式，最终实现了光信息到近场微波信息的转换，形成了任意预定多样微波全息图像（见图1）。为进行验证，在微波段进行了系列实验，所有实验结果均与理论预期吻合，充分证明了该设计方法的有效性。
成果所呈现的微波全息图像类型不受限制，全息方案的多样性不仅来源于可编程超表面的实时调控，也来自于左、右旋圆极化波入射下可编程超表面的独立控制，进一步拓展了通道容量。不仅为多极化通道下高效率、实时自适应全息图像调控提供了新途径，也为感应近场区自适应场变化通信应用打开了新范式。
2. 研究背景
随着全息技术快速发展，基于信息采集、编码、传输、解码和复现的智能全息通信系统可以自动生成任意特定信息的全息图像，在自适应电磁功能开发领域具有广阔前景。然而，现有方案相关应用场景单一且信息安全得不到保障。同时，基于阵列天线的硬件系统具有成本高、体积大以及效率低等难题，急需引入更灵活的硬件架构、更高效的感知手段和更先进的算法来解决上述难题。
为解决上述实际问题，研究人员引入超表面概念，即利用人工电磁结构单元，按照特定排列方式构建而成的二维平面结构，具有体系超薄、损耗低等独特优势，能够提供幅度、相位和极化等多个自由度来任意调控空间电磁波，为全息通信硬件平台性能优化提供了可能。基于可编程超表面，研究人员在自适应系统搭建和功能实现方面进行了系列尝试，通过先进传感器与智能算法结合，实现了追踪通信、仿生式聚焦等智能器件。然而，近场感应区场信息往往很少会被考虑实现重大应用，如何基于可编程超表面来实现光信息到近场信息转换的全息通信尤为迫切。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从反射式可编程超表面出发，提出了具有自适应电磁散射调控的全息通信新策略，为智能全息通信设计提供了可编程超表面方案。首先采用AA（Aharonov–Anandan）相位机理，即采用单元金属旋转路径中积累的不同几何相位，并基于可编程超表面单元设计原理，采用PIN二极管实现超表面单元在0和π两种相位状态之间切换，即1-bit相位调控，实现了正交圆极化通道下电磁相位响应的独立调控。其次，按照功能需求反演相位分布，并进一步二值化为编码矩阵，最终控制自研单片机开发板输出多项离散电压值以实现正交圆极化通道下的自适应近场电磁波前调控（见图1右）。另外，借助新的编码和解码方式，实现了光信息到近场微波信息的转换（见图1左）。
为验证所设计可编程超表面在全息通信应用中具有可行性，对单元进行全波仿真，计算不同旋向电磁波入射下的反射幅度和相位响应，结果显示，当频率为12 GHz的左旋圆极化波入射时，二极管1“开”和“关”状态之间的相位差为180°，反射幅度均高于0.9，而当右旋圆极化波入射时，二极管1“开”和“关”状态之间不存在相位差，这说明二极管1具有左旋圆极化通道下的独立相位调控能力，同理，二极管2具有右旋圆极化通道下的独立相位调控能力（见图2）。
图2 超表面单元结构及全波仿真结果
在信息编码和解码过程中，首先采用深度摄像头持续获取环境中的光信息。其次，基于改进型YOLOv5算法提取所需目标信息并根据需求映射为任意预定多样性黑白图案。最后，通过GS（Gerchberg–Saxton）算法将其转化为超表面全息图像所需的1-bit编码矩阵（见图3）。
图3 编/解码所采用改进型YOLOv5s和GS算法结构
为使该器件具备更加广泛的应用场景，进一步借助便携式软件定义无线电平台，利用其灵活性高、抗干扰能力强和成本低等优势，设计了双端自适应的可编程超表面全息通信器件。综合上述多项技术，研究人员所设计全息通信器件可以根据环境目标信息自适应地实现正交圆极化通道下预定全息图像，从实验结果可以看出，当目标信息变化时，所设计可编程超表面总能在特定旋向通道下根据环境变化自动呈现出预定全息图像（见图4）。
图4 全息通信器件的实验设置及仿真、测量结果
4. 应用与展望
研究团队提出的可编程超表面全息通信新方案，普适性好、实时高效、信息容量大，可拓展到任意波段、任意极化和透射体系等，产生的近场电磁波前在近场通信、传感以及成像等领域具有广阔应用前景。
该研究成果以“Holographic communication using programmable coding metasurface”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Fan Zhang, Chaohui Wang, Weike Feng, Tong Liu, Zhengjie Wang, Yanzhao Wang, Mingzhao Wang and He-Xiu Xu，其中Fan Zhang和Chaohui Wang为共同第一作者，Weike Feng和He-Xiu Xu教授为共同通讯作者。该工作得到国防卓越青年科学基金（2022-JCJQ-ZQ-006）、国家自然科学基金面上项目（62171459）和陕西省科技创新团队（2024RS-CXTD-08）计划支持。
