超表面赋能的微波-光学转换
微波和光域之间的能量和信息转换在许多领域都是必不可少的，从电信到新兴的量子技术。微波-光交互平台不仅可以连接电域和光域的系统，还可以充分利用微波和光波在不同传播介质中的优势，实现无缝的跨介质传输，是下一代全连接信息系统和网络的有价值的解决方案。
微波-光相互转换的进展 微波-激光转换实验 参考资料
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微波-光相互转换的进展
微波-光相互作用及其有效利用是经典科学和量子科学前沿的重要技术，用于通信、传感和成像。通常，最先进的微波-光转换器是通过具有多个处理步骤的光纤和电路方法实现的，并且需要外部电源，这导致了许多限制。
微波到可见光之间由于>10^4的频率尺度失配导致的能量不相容，有效的微波-光学相互作用带来了巨大的挑战。
近年来，研究者一直在努力利用光纤技术、等离子体腔、非线性材料、纳米机械耦合、里德伯激子、中介辅助方法等来完成这一转换任务。然而，许多演示的微波到光转换方案都是基于光纤和电路技术实现的，并且需要外部电源供应执行多个中间过程，这增加了成本、功耗和系统复杂性，并限制了自由空间无线应用。此外，这些转换器件很难进一步开发，以实现从光学到微波的反向过程，导致许多局限性。
最近报道了一种可编程超表面，能够在物理层进行直接和无线微波到光的转换，而无需使用多个单独的器件和连接任何直流 （DC） 电源。
微波-激光转换实验
微波-激光双向转换的实验装置如图所示。在微波到激光的实验中，不断提高入射微波功率，以通过激光功率计记录半导体激光管的发射功率。
微波由微波发生器 （NI PXIe-564） 输出，然后由功率放大器放大。放大的微波由喇叭天线发射，以照亮超表面样品。增益为 15 dBi 的喇叭天线固定在距离超表面样品 0.1 m 的地方，因此微波传输效率为 99.9%。
在这种情况下，喇叭天线辐射的微波功率几乎完全被超表面接收。因此，当输入微波功率达到 25 mW 的足够强度时，相应的照明功率密度约为 0.056 mW/cm2.
微波到激光的转换效率定义为输出激光功率与超表面接收到的微波功率之比。在激光到微波的实验中，将喇叭天线连接到矢量网络分析仪，用于发射微波，然后接收来自超表面样品的反射能量。采用激光源发射绿光激光以控制样品。激光光斑的直径约为 4.0 毫米。
构建的跨气水介质的全双工微波-激光混合无线通信系统主要包括微波收发器、超表面转换器和激光收发器三部分。微波发射机由软件定义无线电 （SDR） 平台 （NI USRP-2954）、功率放大器和 x 极化喇叭天线组成，用于发射放大的 BASK 信号。在微波接收器中，采用与微波发生器相连的馈电天线提供入射的 y 极化单色微波，然后由 y 极化喇叭天线接收反射的 BASK 微波信号，将信号传输到连接到后处理计算机的 SDR。激光发射器包含一个现场可编程门阵列 （FPGA） 和一个绿光半导体激光管，旨在生成具有调制信息的 OOK 激光信号。激光接收器包含高速、高灵敏度的光电检测和解调电路和连接的后处理计算机。在实验中，半导体激光管到超表面样品的距离约为 1.3 m。入射 x 和 y 极化微波频率分别为 4.06 GHz 和 4.45 GHz。为了降低所需的微波信号功率，将 x 极化喇叭天线放置在靠近超表面样品的位置，以实现高传输效率。所用 y 极化喇叭天线在 4.45 GHz 时的增益为 11 dBi，并且固定在距离超表面样品 0.25 m 的地方。通过使用方程 （S2），计算出远场传输效率约为 74.5%。
[1] Zhang, X.G., Sun, Y.L., Zhu, B. et al. Wireless microwave-to-optical conversion via programmable metasurface without DC supply. Nat Commun 16, 528 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-55940-9
