近日，我校物理学院声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组在声学轨道角动量复用领域取得重要进展，提出了时空相位超表面调控声学轨道角动量（OAM）的新方法，基于碳纳米管（CNT）薄膜的热声效应构建了具有时空调制特性的热声超表面，将不同轨道角动量空间谱加载到特定的频率谱特征上，实现了空分和频分复用的声学通信新体制。
近年来，声波物理维度的探索为突破声通信的容量瓶颈提供了新思路。例如，时分复用、频分复用、正交振幅调制和差分相移键控等技术已发展成为可持续扩容的有效选择。目前，基于轨道角动量（OAM）的空分复用技术为信道容量的扩充以及传输速率的提高进一步提供了一种可靠的方法。其中，OAM在希尔伯特空间拥有无限维度并且携带不同OAM的声涡旋之间相互正交，在空间维度上作为独立的信息通道可以实现多路复用信号的传输与接收。然而，较为广泛运用的OAM复用技术需要依赖复杂的算法对复用信息进行解调；另外，利用N个相同的声学超表面对N阶OAM进行降阶以实现信息的实时解调，导致传输系统繁冗、庞大进而限制其实际应用。因此，实现OAM复用信号的高效、快速解调，且满足器件集成化、小型化的要求，仍然是声通信领域面临的巨大挑战。
在本工作中，刘晓峻教授、程营教授课题组提出一种基于时空相位超表面的OAM复用新方法，利用超表面的空间相位调制实现不同OAM声涡旋的多路复用，同时运用时间相位调制对不同OAM声涡旋进行频率转换以实现其高效、快速解调。图1a描述了基于时空相位超表面实现OAM复用的结构示意图。在时空相位调制下(图1b)，声场的频谱分布模拟结果如图1c所示。图1d和e分别展示了两个对称谐波频率下的声场幅值和相位分布。由图1可得，在时空相位调制下，可实现中心频率为f0的平面波向谐波频率为f0- fm的+1阶声涡旋和f0+ fm的-1阶声涡旋的声场转换。
为了构建上述时空相位分布，课题组基于碳纳米管（CNT）薄膜的热声效应设计了一种具有时空调制特性的热声超表面。图2a为CNT薄膜在电激励下的热像图。CNT薄膜由于具有良好的热声效应能够产生稳定的声信号(图2b)，并且通过调节电激励延迟可以实现声信号的相位控制(图2c)。图2d为利用CNT薄膜制备而成的热声超表面，图2e为声场测试环境。图2f为旋转热声超表面所产生的声场频谱分布的模拟结果和实验结果。两个对应谐波频率下的声场分布模拟结果和实验结果如图3所示。由此可知，旋转热声超表面可以实现如图1b的等效时空相位分布，并能够将中心频率为f0的平面波转换成谐波频率为f0- fm的+1阶声涡旋和f0+ fm的-1阶声涡旋。
图4展示了三种不同的时空相位分布、对应的频谱特征以及谐波频率下的声场幅值和相位分布。可以看出，上述时空相位分布可以实现非对称的频谱特征，且不同谐波频率下的声场对应了不同阶次的声涡旋，体现了时空相位分布对OAM空间谱和频谱的调制起着关键作用。
根据上述研究分析，课题组基于时空相位超表面提出了一种新型OAM复用声通信技术。图5a和b展示了在通信系统的发射端将三幅图像转换成三路数据流作为待传输的目标信号，其中图像的每一个像素用二进制数0或1表示。图5c将三路目标信号同时编码在相位空间分布中。在图5d中，通过引入相位时间项，三路目标信号被分别调制到三个不同的OAM通道并进行同步传输。进一步地，利用OAM空间谱和谐波频谱的正交关系，在通信系统的接收端可以实现声信号的高效、快速解调(图5e)。最后，读取三个OAM通道中的时变二进制信号，重构出如图5f所示的三幅图像。重构图像完美复现目标图像，证明了基于时空相位超表面的OAM空分和频分复用技术在信号实时传输方面的有效性。
相关研究成果以《Orbital angular momentum multiplexing in space-time thermoacoustic metasurfaces》为题作为Frontispiece论文发表于Advanced Materials[https://doi.org/10.1002/adma.202202026 ]。南京大学为第一作者单位和第一通讯单位，物理学院博士生贾雨柔为第一作者，程营教授、刘晓峻教授及西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen教授为共同通讯作者，合作者还包括电子学院柏业超副教授和南京师范大学吴大建教授。该工作构建了具有时空调制特性的热声超表面，提供了一种简单高效、可重构、低成本的设计方案来实施OAM复用技术，为后续空分和频分复用的声学通信新体制提供了新思路。该项工作得到国家重点研发计划（2017YFA0303702）、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费的支持。
图1. 基于时空相位超表面的OAM复用技术
图2.由CNT薄膜制备而成的热声超表面和声场频谱分布
图3. 谐波频率下的声涡旋声场分布
图4.复杂时空相位调制下的谐波频谱和声场分布
图5.基于时空相位超表面的OAM空分和频分复用声通信技术