导读

随着第六代移动通信系统向通信、感知与计算融合演进，太赫兹技术正被认为是支撑未来高速无线互联和智能感知的重要频段。然而，太赫兹超表面长期面临一个核心难题：既要具备高速、宽带的电磁调控能力，又要避免像素级寻址带来的复杂布线和同步控制压力；而传统全孔径统一驱动虽然结构简单，却难以支持多级调制和物理层逻辑处理。近日，电子科技大学王兰副教授、张雅鑫教授团队与波兰ENSEMBLE3卓越中心Taiichi Otsuji教授合作提出一种子阵可编程太赫兹超表面，将“子阵”提升为最小可寻址控制单元，在工程复杂度和功能自由度之间建立了新的平衡。该器件利用AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的二维电子气实现宽带太赫兹透射调控，并通过四个独立子阵的空间组合编码，在同一硬件平台上实现了布尔逻辑运算和四电平脉冲幅度调制。相关研究成果以“Subarray programmable terahertz metasurface for optical logic and high-order amplitude modulation”，为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究亮点

1. 提出子阵可编程新架构，兼顾自由度与工程复杂度

本文提出了一种不同于像素级寻址和全孔径统一驱动的中间架构：将超表面划分为四个可独立控制的子阵，并将子阵作为最小可寻址单元。每个子阵由周期排列的AlGaN/GaN 高电子迁移率（HEMT）超构单元构成，四个子阵共享公共地线，同时通过独立栅极进行电压控制。

这种设计避免了像素级控制带来的大规模布线和同步驱动压力，同时又保留了空间组合编码能力。通过不同子阵的开关组合，器件可以形成多个离散透射幅度状态，为布尔逻辑运算和多级幅度调制提供了硬件基础。

2. 利用二维电子气集体共振，实现170–260 GHz宽带调控

该器件的核心物理机制来自子阵尺度上的二维电子气调控, 利用二维电子气与阵列集体共振之间的耦合，实现了宽带、连续且可组合的太赫兹幅度调制。实验结果表明，器件在170–260 GHz范围内具有宽带透射调控能力，如图1。

图1：基于AlGaN/GaN HEMT子阵可编程太赫兹超表面通过栅压调控实现170–260 GHz范围内的宽带透射幅度调制；改变四个子阵的激活数量和空间组合方式，器件可产生不同的太赫兹透射幅度状态。该空间组合编码机制为多级调制和可编程逻辑操作提供了硬件基础。

3. 通过空间组合编码，实现可编程布尔逻辑运算

研究团队进一步利用四个子阵的独立可控性，将任意两个子阵作为逻辑输入，通过透射强度阈值判决实现布尔逻辑输出。通过选择不同的偏置组合和判决条件，器件可实现AND、OR和XNOR等逻辑功能。

在动态实验中，研究人员在220 GHz准光链路中验证了实时逻辑运算能力。例如，输入信号可在100 MHz和200 MHz条件下实现OR逻辑输出，也可在200 MHz和400 MHz输入条件下实现XNOR逻辑输出，对应最高200 MHz的实时布尔逻辑操作。这表明该超表面不仅能够调制太赫兹波，还可以在物理层直接执行逻辑判决，如图2。

图2：利用通过将两个子阵作为逻辑输入，并利用其余子阵作为功能选择单元，器件可在宽频段内实现AND、OR和XNOR等布尔逻辑运算，并在动态测试中实现最高200 MHz的实时逻辑输出。

4. 在220 GHz准光链路中实现PAM-4高阶幅度调制

除逻辑运算外，该子阵可编程架构还为高阶调制提供了直接硬件基础。研究团队将四个子阵划分为两组，由两个独立方波信号分别驱动，通过两组子阵透射幅度的叠加，在太赫兹波前上直接形成四个可区分的幅度电平，实现PAM-4调制。

在220 GHz准光链路中，研究团队使用倍频链产生太赫兹载波，并通过任意波形发生器和偏置网络驱动超表面栅极。实验结果显示，器件可产生稳定的四电平PAM-4波形；在20 MHz和40 MHz同步方波驱动下，对应理论链路带宽约80 MHz。同时，单音调制测试表明，该器件可支持最高6 GHz的调制响应，如图3。

图3：实验搭建220 GHz准光太赫兹通信链路，验证了器件的实时调制能力。

总结与展望

本研究提出的子阵可编程太赫兹超表面，为太赫兹可重构前端提供了一种兼具可扩展性和工程可实现性的架构。从系统角度看，该器件展示了太赫兹前端从被动传输与调制器件向通信-计算一体化硬件平台演进的可能性。未来，随着阵列规模扩大、驱动网络优化、封装寄生效应降低以及预失真校正方法引入，该架构有望进一步支持更高阶调制、更复杂的并行逻辑操作和更高速的太赫兹链路，为6G智能感知、短距高速无线互联和片上太赫兹系统提供重要技术支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02255-z