再创佳绩
物理学院程建春和梁彬课题组在高信息密度声角动量通信取得重要进展
发布时间:2022年09月07日 作者:物理学院 来源:科学技术处

我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春和梁彬课题组在声角动量通信方面取得重要进展,提出了基于声学超构材料的多路径扭曲声波通信机制并构建了相应的声通信系统,实现了自由空间中无需后处理算法和空间扫场的实时、高容量角动量复用通信。

近年来,众多研究已经证明了携带轨道角动量的涡旋声束在高速声学通信方面具有巨大的应用潜力。不同阶数的角动量模式可以作为一组独立的信息编解码基矢进行信号传输,同时也可以和传统的复用技术合并兼容。然而现有的角动量复用技术往往需要由大量阵元组成的传感器阵列以及复杂的后处理算法来对复合信息进行解调,存在系统尺度大、复杂度高、成本高以及无法实时通信等问题。虽然超构材料的兴起为声角动量的编解码提供了更为简单和高效的操控方式,然而现有角动量通信机制的传输效率、解码效率以及有效通信距离等性能受制于超构材料插入损耗、波束衍射效应及对波导系统的依赖。因此,在自由空间中实现高信息密度的角动量实时声通信仍然是一个挑战性问题。

课题组提出了一种基于超构材料的多路径扭曲声波通信机制如图1a所示,通过利用非共轴复合涡旋束作为额外信道进行信息编解码,实现了角动量信道容量的进一步拓展,并结合超材料人工解码器件的小尺度优势,显著增加了角动量声通信系统的空间信息密度。通常情况下,轨道角动量的阶数越高,涡旋声束在传播过程中的衍射效应就越显著,这将导致高阶模式在接收端的解调效率下降,因此现有角动量复用技术的通信容量受限于所使用角动量模式的最大阶数。课题组通过将同轴模式复用与非同轴空间复用相结合,不仅将通信系统中的信道数量提高了NM倍(N为路径数量,M为单路径中复用轨道角动量的模式数),还用低阶非共轴模式信道取代了现有技术的共轴高阶模式,为现有技术高阶模式衍射所导致的信道串扰问题提供了一种新的解决方案,并显著提升了通信系统的有效传输距离和信道容量。在通信系统的解码端,课题组提出了复合角动量一体化无源解调的新机制如图1b所示,并利用声学超构材料构建了具备实时性、结构紧凑、无能耗和强空间选择性等显著优势的人工解码器件。该解调机制的强空间选择性可以有效地解决多链路系统中衍射效应所导致的信道间干扰问题,从而保证了通信系统的高鲁棒性和低空间串扰。基于该机制,课题组利用三维打印等手段加工制备了人工解码器件,构建了双路径扭曲声波通信系统N=2, M=2,并实验演示了南京大学校徽图的无损传输和精准编解码如图2所示。此外,还定量表征了系统的低串扰和低误码率等优异性能,实验结果显示该系统在远传输距离以及低信噪比情况下依然能够保持极低的误码率如图3所示,充分展现了所设计通信系统的高鲁棒性以及抗噪声干扰能力。

1.a基于超构材料的多路径扭曲声波通信系统原理图。b自由空间中复合角动量信息一体化无源解调机制示意图。c超构单元声学响应。

2.a南京大学校徽作为目标传输图像被分为四部分,通过四个角动量信道进行同步传输。b像素块,黑白像素点分别代表数据"0""1"c 图(b)所标记的四条数据流的输入与输出对比。d南京大学校徽的图像传输结果。

3.a南京大学校徽图像的误码率关于传输距离变化关系的实验测量结果。b四个信道的误码率随信噪比变化关系的实验测量结果。

本工作提出了一种利用多径扭曲声波实现高空间信息密度声通信的新机制,设计制备了一种具备高空间选择性的紧凑型人工解码器件,并系统展示了该技术在信道容量、空间信息密度和传输距离等方面的优异性能。通过对器件尺度、信号调制方式等进行合理设计,系统的有效通信距离、信道容量等性能仍有望进一步提升。这一新型角动量通信技术有望在水下通信和海洋探测等领域产生实际应用价值。

研究成果以"Metamaterial-based real-time communication with high information density by multipath twisting of acoustic wave"为题在线发表于Nature Communications[Nat. Commun.13, 5171 (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32778-z]。南京大学博士研究生武凯和刘京京副研究员为共同第一作者,刘京京副研究员、梁彬教授和程建春教授为论文的共同通讯作者工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目等项目支持。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-32778-z