image: a, Schematic of the proposed BFSK wireless communication system based on the time-domain digital coding metasurface. b, Experimental scenario of the BFSK wireless communication system. c-d, The received messages by the BFSK wireless communication system for different receiving angles, showing stable communication abilities. view more
Credit: Science China Press
从微波到光波，电磁非线性现象广泛存在，与材料介电极化的非线性响应有关，可导致辐射场在新频率（谐波）处产生振荡。目前，非线性电磁调控技术在通信、光存储和传感器等领域拥有广泛的应用潜力，但如何高效、灵活地实现谐波调控在现代光学和微波系统中是一个颇具挑战性的问题。
最近，来自中国东南大学的研究团队（赵捷、阳析、戴俊彦、程强教授、金石教授以及崔铁军教授）及合作者取得了突破性进展，在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表研究论文 “Programmable time-domain digital coding metasurface for nonlinear harmonic manipulation and new wireless communication systems”，提出并研制了一种时间编码数字超表面，可实现对非线性谐波的高效调控。
自2014年崔铁军教授课题组在国际上首次提出“数字编码与可编程超材料”概念以来（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014），因其设计简单、实时调控电磁波能力强、可切换多种完全不同的功能等特点，引起了国内外学者的广泛关注。但之前的系列工作仅关注超材料与电磁波作用时的稳态特性，超材料单元的控制信号在调制周期内保持不变。通过引入周期性的单元控制信号，时间编码数字超表面使超表面可对电磁频谱进行动态调控，从而实现对不同谐波的精确控制，在实验中成功地实现了入射能量从载波至高阶谐波的高效转换，且设计简单，可实现性强，因此拥有良好的应用前景。
由于时间编码数字超表面具有高效的非线性频谱调控能力，作者进一步提出了一种新体制通信系统构架，实现了数字信号在超材料表面的直接调制与辐射。在该构架中，传统通信系统发射机中所必须的数模转换、混频器、射频链路、天线等部件被数字编码超表面和现场可编程门阵列所取代，基带信号通过特定的对应关系直接映射成超表面的反射系数，进而对入射波的载波频率进行调制。实验结果显示，该新型通信系统在多角度、有干扰等情形下均实现了信息的低误码率、高速传输，证明了时间编码数字超表面的应用潜力。这种方式大大简化了通信系统的复杂度，为新一代通信、雷达系统的发展提供了新思路。
###
Journal
National Science Review