CN116566496B - 一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开了一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统及通信方法。可以通过调制模块的超表面对各指定通信信号入射后的出射方向进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号中模态不同的OAM波束，并可以通过解调模块中的超表面对目标通信信号进行解调，进而可以降低通信系统的成本。

Description

一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统及通信方法
技术领域
本说明书涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统及通信方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）作为电磁波的基本属性（即电磁波绕传播轴旋转的特性）之一被广泛应用于频谱复用技术中以提升通信系统的频谱利用率与通信容量。
通常情况下，由于电磁波的轨道角动量所具有的不同的模态数量较多的特点以及不同整数模态的之间相互正交的特点，使得电磁波的轨道角动量的模态可以作为无线传输的新复用维度，在不依赖于诸如时间和频率等传统资源的情况下发送模态不同的多个同轴数据流，从而提升频谱效率。
而常用的用于调制电磁波的轨道角动量的不同模态的器件为螺旋相位板，单个螺旋相位板只能针对某一频率的电磁波的单个模态进行调制，因此复用不同模态的电磁波的产生不仅需要多个螺旋相位板，还需要与之配套的反射镜、合束器等空间器件，从而导致搭建出的通信系统的成本较高。
发明内容
本说明书提供一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统及通信方法，以部分的解决现有技术存在的上述问题。
本说明书采用下述技术方案：
本说明书提供了一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统包括：产生模块、调制模块、解调模块，所述调制模块和所述解调模块由超表面组成；
所述产生模块用于产生各指定通信信号，其中，频率相同的各指定通信信号入射到所述超表面的入射角度不同；
所述调制模块用于通过所述超表面中按照指定排列方式排列的各微纳结构，对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号；
所述解调模块用于将所述目标通信信号转换为各指定通信信号。
可选地，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器；
所述第一激光器用于产生第一光载波，并将所述第一光载波传输到所述IQ调制器；
所述任意波形发生器用于产生基带通信信号，并将所述基带通信信号传输到所述IQ调制器；
所述第二激光器用于产生第二光载波，并将所述第二光载波传输到所述掺铒光纤放大器，所述第二光载波与所述第一光载波的频率不同；
所述IQ调制器用于将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并将所述基础第一光信号传输到所述掺铒光纤放大器；
所述掺铒光纤放大器用于对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号，以及用于对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号，并将所述第一光信号以及所述第二光信号传输到所述耦合器；
所述耦合器用于对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号，并将所述耦合后光信号传输到所述第一光电探测器；
所述第一光电探测器用于基于所述耦合后光信号拍频得到太赫兹通信信号，并将所述太赫兹通信信号作为指定通信信号。
可选地，所述指定通信信号为：双极化太赫兹通信信号。
可选地，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、双极化天线；
所述第一激光器用于产生第一光载波，并将所述第一光载波传输到所述IQ调制器；
所述任意波形发生器用于产生基带通信信号，并将所述基带通信信号传输到所述IQ调制器；
所述第二激光器用于产生第二光载波，并将所述第二光载波传输到所述掺铒光纤放大器，所述第二光载波与所述第二光载波的频率不同；
所述IQ调制器用于将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并将所述基础第一光信号传输到所述掺铒光纤放大器；
所述掺铒光纤放大器用于对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号，以及，用于对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号，并将所述第一光信号以及所述第二光信号传输到所述耦合器；
所述耦合器用于对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号，并将所述耦合后光信号传输到所述第一光电探测器以及所述第二光电探测器；
所述第一光电探测器用于基于所述耦合后光信号拍频得到第一太赫兹通信信号，并将所述第一太赫兹通信信号馈入所述双极化天线；
所述第二光电探测器用于基于所述耦合后光信号拍频得到第二太赫兹通信信号，并将所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线；
所述双极化天线用于基于所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号，得到所述双极化太赫兹通信信号。
可选地，所述双极化天线包含：第一馈口、第二馈口；
所述第一光电探测器用于将所述第一太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第一馈口；
所述第二光电探测器用于将所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第二馈口；
所述双极化天线用于基于所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号，得到所述双极化太赫兹通信信号。
可选地，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统还包括：接收模块，所述接收模块包括：倍频器、混频器、带通滤波器、双极化天线、本振信号源、示波器；
所述双极化天线用于接收所述各指定通信信号；
所述本振信号源用于产生辅助载波信号；
所述倍频器用于对所述辅助载波信号进行倍频处理，得到倍频辅助载波信号；
所述带通滤波器用于对所述倍频辅助载波信号进行过滤处理，得到处理后辅助载波信号；
所述混频器用于基于所述处理后辅助载波信号对每个所述指定通信信号进行变频处理，以得到基带通信信号，并将所述基带通信信号输入到所述示波器，以进行任务执行。
本说明书提供了一种通信方法，
所述通信方法应用于基于超表面的太赫兹多维度通信系统，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统包括：产生模块、调制模块、解调模块，所述调制模块和所述解调模块由超表面组成，所述方法包括：
响应用户发送的数据传输请求，通过所述产生模块产生各指定通信信号，其中，频率相同的各指定通信信号入射到所述超表面的入射角度不同；
将所述各指定通信信号传输到所述调制模块，以通过所述调制模块的所述超表面中按照指定排列方式排列的各微纳结构，对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号；
将所述目标通信信号传输到所述解调模块，通过所述解调模块将所述目标通信信号转换为各指定通信信号。
可选地，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器；
通过所述产生模块产生各指定通信信号，具体包括：
通过所述第一激光器产生第一光载波、通过所述任意波形发生器产生基带通信信号以及通过所述第二激光器产生第二光载波，所述第二光载波与所述第一光载波的频率不同；
通过所述IQ调制器将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并通过所述掺铒光纤放大器对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号；
通过所述掺铒光纤放大器对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号；
通过所述耦合器对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，并通过所述第一光电探测器拍频得到太赫兹通信信号，作为指定通信信号。
可选地，所述指定通信信号为：双极化太赫兹通信信号。
可选地，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、双极化天线；
通过所述产生模块产生各指定通信信号，具体包括：
通过所述第一激光器产生第一光载波、通过所述任意波形发生器产生基带通信信号以及通过所述第二激光器产生第二光载波，所述第二光载波与所述第二光载波的频率不同；
通过所述IQ调制器将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并通过所述掺铒光纤放大器对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号；
通过所述掺铒光纤放大器对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号；
通过所述耦合器对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号；
将所述耦合后光信号输入到所述第一光电探测器，以通过所述第一光电探测器基于所述耦合后光信号拍频得到第一太赫兹通信信号，以及，将所述耦合后光信号输入到所述第二光电探测器，以通过所述第二光电探测器基于所述耦合后光信号拍频得到第二太赫兹通信信号；
将所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线，得到所述双极化太赫兹通信信号。
可选地，所述双极化天线包含：第一馈口、第二馈口；
将所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线，得到所述双极化太赫兹通信信号，具体包括：
通过所述第一光电探测器将所述第一太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第一馈口，以及，通过所述第二光电探测器将所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第二馈口，以通过所述双极化天线基于所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号，得到所述双极化太赫兹通信信号。
可选地，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统还包括：接收模块，所述接收模块包括：倍频器、混频器、带通滤波器、双极化天线、本振信号源、示波器，所述方法还包括：
通过所述接收模块的所述双极化天线接收所述各指定通信信号；
通过所述本振信号源产生辅助载波信号，并通过所述倍频器所述辅助载波信号进行倍频处理，得到倍频辅助载波信号，以及通过所述带通滤波器对所述倍频辅助载波信号进行过滤处理，得到处理后辅助载波信号；
通过所述混频器基于所述处理后辅助载波信号对每个所述指定通信信号进行变频处理，以得到基带通信信号，并将所述基带通信信号输入到所述示波器，以进行任务执行。
本说明书提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述通信方法。
本说明书提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述通信方法。
本说明书采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
在本说明书提供的通信方法中，响应用户发送的数据传输请求，通过产生模块产生各指定通信信号，其中，频率相同的各指定通信信号入射到超表面的入射角度不同，将各指定通信信号传输到调制模块，以通过调制模块中超表面的指定相位分布，对每个指定通信信号入射到超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号，将目标通信信号传输到解调模块，通过解调模块将目标通信信号转换为各指定通信信号。
从上述方法可以看出，可以通过调制模块的超表面对各指定通信信号入射后的出射方向进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号中模态不同的OAM波束，并可以通过解调模块中的超表面对目标通信信号进行解调，进而可以降低通信系统的成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本说明书的进一步理解，构成本说明书的一部分，本说明书的示意性实施例及其说明用于解释本说明书，并不构成对本说明书的不当限定。在附图中：
图1为本说明书中提供的一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统的示意图；
图2A为本说明书中提供的各指定通信信号的调制过程的示意图；
图2B为本说明书中提供的各指定通信信号的解调过程的示意图；
图3为本说明书中提供的产生模块的示意图；
图4为本申请提供的接收模块的示意图；
图5为本说明书中提供的一种通信方法的流程示意图；
图6为本说明书提供的一种对应于图1的电子设备示意图。
具体实施方式
为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书保护的范围。
以下结合附图，详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。
目前，在将电磁波的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）作为无线传输的新复用维度时，所需要空间器件较多，从而导致由这些空间器件组成的通信系统的成本较高。
基于此，本说明书中提供了一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统，如图1所示。
图1为本说明书中提供的一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统的示意图。
结合图1可以看出，上述的基于超表面的太赫兹多维度通信系统包括：产生模块、调制模块、解调模块，其中，调制模块和解调模块由超表面组成，这里的超表面由具有特殊电磁属性的人工原子组成的微纳结构，按照一定的排列方式组成的二维平面结构，可实现对入射光的振幅，相位，偏振等灵活的调控。
上述的产生模块用于产生各指定通信信号，其中，频率相同的各指定通信信号入射到超表面的入射角度不同。
上述的调制模块用于通过超表面中按照指定排列方式排列的各微纳结构，对每个指定通信信号入射到超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号，其中，每个指定通信信号入射到超表面后，经过超表面的调控使得同频率入射角度不同的出射波束的模态不同，进而可以通过将各指定通信信号的出射波束调制为目标通信信号后，可以根据频率以及模态对各指定通信信号进行区分，以将目标通信信号解调为各指定通信信号，上述的模态是指电磁波绕传播轴旋转（即涡旋状）的型态。
需要说明的是，当指定通信信号入射到普通的分界面时，入射波束、出射波束之间遵循斯奈尔定律（即入射波束在从光速大的介质进入光速小的介质中时，折射角小于入射角），但是，当入射波束入射到超表面时，由于超表面中按照指定排列方式排列的各微纳结构，可以使入射波束的产生相位突变，使出射波束满足广义斯奈尔定律（即具有空间变化的相位相应和亚波长分离的光学谐振器的二维阵列可以在传播光穿过两种介质之间的界面时，将这种相位不连续刻画在传播光上），从而使得可以对出射波束进行调控。
因此，可以通过调整超表面中的各微纳结构的排列方式，使得调制模块的超表面呈现出指定相位分布，以对每个指定通信信号入射到超表面后的出射波束的角度进行调控，具体方法可以参考如下公式：
上述公式中，θi为入射到超表面的指定通信信号与超表面法线的夹角，θr为出射波束与超表面法线的夹角，λ为入射到超表面的指定通信信号的波长，Φ(x)为超表面在x方向上的相位变化。
从上述公式中可以看出，入射到超表面的指定通信信号的偏转角度与超表面上的相位分布以及入射波束的波长相关，在保持超表面相位分布不变的情况下，改变入射到超表面的指定通信信号的频率则会对应的改变出射波束的偏转角度。
上述的解调模块用于将目标通信信号转换为各指定通信信号。
为了进一步地对上述的调制模块以及解调模块进行详细说明，本说明书还提供了各指定通信信号的调制过程以及解调过程的示意图，如图2A，图2B所示。
图2A为本说明书中提供的各指定通信信号的调制过程的示意图。
在图2A中，存在四个指定通信信号，即指定通信信号1、指定通信信号2、指定通信信号3、指定通信信号4，其中，指定通信信号1的频率可以为0.12THz，入射到调制模块的超表面的入射角度可以为/>。指定通信信号2的频率可以为/>0.1THz，入射到调制模块的超表面的入射角度可以为/>。指定通信信号3的频率可以为/>0.1THz，入射到调制模块的超表面的入射角度可以为/>。指定通信信号4的频率可以为/>0.12THz，入射到调制模块的超表面的入射角度可以为/>。
进而可以通过调制模块的超表面基于入射的各指定通信信号的频率，产生不同的偏转角度，进而可以基于每个指定通信信号的入射角度、偏转角度，将各指定通信信号调制为沿Z轴同轴传输的目标通信信号，其中，可以将指定通信信号1的模态调制为，指定通信信号2的模态调制为/>，指定通信信号3的模态调制为/>，指定通信信号4的模态调制为/>，进而可以通过频率以及模态两个维度，对各指定通信信号进行区分。
图2B为本说明书中提供的各指定通信信号的解调过程的示意图。
从图2B中可以看出，可以在目标通信信号在经自由空间传输后，通过解调模块的超表面按照频率与模态的不同，将目标通信信号解调到不同位置并进行接收。
进一步地，上述的产生模块可以包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器。
其中，第一激光器用于产生第一光载波，并将第一光载波传输到IQ调制器。任意波形发生器用于产生基带通信信号，并将基带通信信号传输到IQ调制器。第二激光器用于产生频率与第一光载波不同的第二光载波，并将第二光载波传输到掺铒光纤放大器。IQ调制器用于将基带通信信号调制到第一光载波上，得到基础第一光信号，并将基础第一光信号传输到掺铒光纤放大器。
掺铒光纤放大器用于对基础第一光信号进行放大，得到第一光信号，以及用于对第二光载波进行放大，得到第二光信号，并将第一光信号以及第二光信号传输到耦合器。耦合器用于对第一光信号与第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号，并将耦合后光信号传输到第一光电探测器。第一光电探测器用于基于耦合后光信号拍频得到太赫兹通信信号，并将太赫兹通信信号作为指定通信信号，这里的太赫兹通信信号可以是指频率范围为0.1-10THz内的电磁波，其中，太赫兹通信信号可以提供的可用带宽是微波波段的数十倍，具有丰富的频谱资源。
需要说明的是，可以通过对调制模块与解调模块的超表面中的微纳结构进行排列，以使超表面呈现出指定相位分布，并使能够通过调制模块的超表面对各指定通信信号入射后的出射角度进行调控，进而可以使各指定通信信号经过超表面调制后生成目标通信信号，以及可以通过解调模块的超表面将目标通信信号解调为各指定通信信号，具体可以参考如下。
上述公式中，为调制模块的超表面的相位分布，lm是各指定通信信号入射后的出射波束的模态，k0为太赫兹通信信号在空气中的波数，θim表示双极化天线与超表面法线方向的夹角。超表面可以根据各指定通信信号的入射角度的不同产生不同模态的出射波束。
除此之外，还可以在上述的频率以及模态的基础上，添加信号极域的复用，换句话来说，就可以通过信号的频率、模态、极化状态（电磁波发射分为水平极化H和垂直极化V，接收也分为水平接收H和垂直接收V，水平极化H是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是水平方向。垂直极化V是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是垂直方向）三个维度，对信号进行复用。
具体地，可以将双极化太赫兹通信信号作为上述的指定通信信号，这里的双极化太赫兹通信信号是指在一种极化状态太赫兹通信信号中再加上另一种与之正交极化状态太赫兹通信信号。其中，上述的产生模块可以包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、双极化天线，具体如图3所示。
图3为本说明书中提供的产生模块的示意图。
在图3中，第一激光器用于产生第一光载波，并将第一光载波传输到IQ调制器。任意波形发生器用于产生基带通信信号，并将基带通信信号传输述IQ调制器。第二激光器用于产生第二光载波，并将第二光载波传输到掺铒光纤放大器，这里的第二光载波与第二光载波的频率不同。IQ调制器用于将基带通信信号调制到第一光载波上，得到基础第一光信号，并将基础第一光信号传输到掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器用于对基础第一光信号进行放大，得到第一光信号，以及，用于对第二光载波进行放大，得到第二光信号，并将第一光信号以及第二光信号传输到耦合器。
耦合器用于对第一光信号与第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号，并将耦合后光信号传输到第一光电探测器以及第二光电探测器。第一光电探测器用于基于耦合后光信号拍频得到第一太赫兹通信信号，并将第一太赫兹通信信号馈入双极化天线，第二光电探测器用于基于耦合后光信号拍频得到第二太赫兹通信信号，并将第二太赫兹通信信号馈入双极化天线，双极化天线用于基于第一太赫兹通信信号以及第二太赫兹通信信号，得到双极化太赫兹通信信号。
需要说明的是，上述的双极化天线包含：第一馈口、第二馈口，第一光电探测器可以将第一太赫兹通信信号馈入双极化天线的第一馈口，第二光电探测器可以将第二太赫兹通信信号馈入双极化天线的第二馈口，以通过双极化天线基于第一太赫兹通信信号以及第二太赫兹通信信号，得到双极化太赫兹通信信号。
进一步地，上述的基于超表面的太赫兹多维度通信系统还包括：接收模块，这里的接收模块包括：倍频器、混频器、带通滤波器、双极化天线、本振信号源、示波器，具体如图4所示。
图4为本申请提供的接收模块的示意图。
在图4中，接收模块的双极化天线用于接收各指定通信信号，本振信号源用于产生辅助载波信号，倍频器用于对辅助载波信号进行倍频处理，得到倍频辅助载波信号，带通滤波器用于对倍频辅助载波信号进行过滤处理，得到处理后辅助载波信号，混频器用于基于处理后辅助载波信号对每个指定通信信号进行变频处理，以得到基带通信信号，并将基带通信信号输入到示波器，以进行任务执行。
上述的任务执行可以为通过示波器进行波形的调整、通过示波器获取通过基带通信信号传递的数据等。
从上述内容中可以看出，可以通过调制模块的超表面对各指定通信信号入射后的出射方向进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号中模态不同的OAM波束，并可以通过解调模块中的超表面对目标通信信号进行解调，进而可以降低通信系统的成本。除此之外，还可以实现频率、极化、模态多维度的复用，从而可以提升通信容量。
为了进一步地对上述内容进行详细说明，本说明书还提供了通过上述基于超表面的太赫兹多维度通信系统进行通信的方法的示意图，如图5所示。
图5为本说明书中提供的一种通信方法的流程示意图，包括以下步骤：
S501：响应用户发送的数据传输请求，通过所述产生模块产生各指定通信信号，每个指定通信信号中包含的各频率相同的指定通信信号入射到所述超表面的入射角度不同。
业务平台可以响应用户通过用户所使用的设备发送的数据传输请求，通过产生模块产生各指定通信信号，每个指定通信信号中包含的各频率相同的指定通信信号入射到所述超表面的入射角度不同。
S502：将所述各指定通信信号传输到所述调制模块，以通过所述调制模块中所述超表面的指定相位分布，对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号。
S503：将所述目标通信信号传输到所述解调模块，通过所述解调模块将所述目标通信信号转换为各指定通信信号。
上述的产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器。
通信系统可以通过第一激光器产生第一光载波、通过任意波形发生器产生基带通信信号以及通过第二激光器产生第二光载波，第二光载波与第一光载波的频率不同。
通过IQ调制器将基带通信信号调制到第一光载波上，得到基础第一光信号，并通过所述掺铒光纤放大器对基础第一光信号进行放大，得到第一光信号。
通过掺铒光纤放大器对第二光载波进行放大，得到第二光信号。
通过耦合器对第一光信号与第二光信号进行耦合，并通过第一光电探测器拍频得到太赫兹通信信号，作为指定通信信号。
其中，上述的指定通信信号可以为：双极化太赫兹通信信号。
具体地，可以通过第一激光器产生第一光载波、通过任意波形发生器产生基带通信信号以及通过第二激光器产生第二光载波，第二光载波与第二光载波的频率不同。
通过IQ调制器将基带通信信号调制到第一光载波上，得到基础第一光信号，并通过掺铒光纤放大器对基础第一光信号进行放大，得到第一光信号。
通过掺铒光纤放大器对第二光载波进行放大，得到第二光信号。
通过耦合器对第一光信号与第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号。
将耦合后光信号输入到所述第一光电探测器，以通过第一光电探测器基于耦合后光信号拍频得到第一太赫兹通信信号，以及，将耦合后光信号输入到第二光电探测器，以通过第二光电探测器基于耦合后光信号拍频得到第二太赫兹通信信号。
将第一太赫兹通信信号以及第二太赫兹通信信号馈入双极化天线，得到双极化太赫兹通信信号。
上述的双极化天线包含：第一馈口、第二馈口。
通信系统可以通过第一光电探测器将第一太赫兹通信信号馈入双极化天线的第一馈口，以及，通过第二光电探测器将第二太赫兹通信信号馈入双极化天线的所述第二馈口，以通过双极化天线基于第一太赫兹通信信号以及第二太赫兹通信信号，得到双极化太赫兹通信信号。
通过接收模块的双极化天线接收各指定通信信号。通过本振信号源产生辅助载波信号，并通过倍频器辅助载波信号进行倍频处理，得到倍频辅助载波信号，以及通过带通滤波器对倍频辅助载波信号进行过滤处理，得到处理后辅助载波信号。
通过混频器基于处理后辅助载波信号对每个指定通信信号进行变频处理，以得到基带通信信号，并将基带通信信号输入到示波器，以进行任务执行。
从上述方法可以看出，可以通过调制模块的超表面对各指定通信信号入射后的出射方向进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号中模态不同的OAM波束，并可以通过解调模块中的超表面对目标通信信号进行解调，进而可以降低通信系统的成本。
本说明书还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序可用于执行上述图1提供的一种通信方法。
本说明书还提供了图6所示的一种对应于图1的电子设备的示意结构图。如图6所述，在硬件层面，该电子设备包括处理器、内部总线、网络接口、内存以及非易失性存储器，当然还可能包括其他业务所需要的硬件。处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，以实现上述图1所述的通信方法。当然，除了软件实现方式之外，本说明书并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进（例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进）还是软件上的改进（对于方法流程的改进）。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件（ProgrammableLogic Device, PLD）（例如现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA））就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器（logic compiler）”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言（HardwareDescription Language，HDL），而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL（AdvancedBoolean Expression Language）、AHDL（Altera Hardware Description Language）、Confluence、CUPL（Cornell University Programming Language）、HDCal、JHDL（JavaHardware Description Language）、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL（Ruby HardwareDescription Language）等，目前最普遍使用的是VHDL（Very-High-Speed IntegratedCircuit Hardware Description Language）与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。
控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该（微）处理器执行的计算机可读程序代码（例如软件或固件）的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20 以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本说明书可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种基于超表面的太赫兹多维度通信系统，其特征在于，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统包括：产生模块、调制模块、解调模块，所述调制模块和所述解调模块由超表面组成；
所述产生模块用于产生各指定通信信号，其中，频率相同的各指定通信信号入射到所述超表面的入射角度不同，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器；所述第一激光器用于产生第一光载波，并将所述第一光载波传输到所述IQ调制器；所述任意波形发生器用于产生基带通信信号，并将所述基带通信信号传输到所述IQ调制器；所述第二激光器用于产生第二光载波，并将所述第二光载波传输到所述掺铒光纤放大器，所述第二光载波与所述第一光载波的频率不同；所述IQ调制器用于将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并将所述基础第一光信号传输到所述掺铒光纤放大器；所述掺铒光纤放大器用于对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号，以及用于对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号，并将所述第一光信号以及所述第二光信号传输到所述耦合器；所述耦合器用于对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号，并将所述耦合后光信号传输到所述第一光电探测器；所述第一光电探测器用于基于所述耦合后光信号拍频得到太赫兹通信信号，并将所述太赫兹通信信号作为指定通信信号；
所述调制模块用于通过所述超表面中按照指定排列方式排列的各微纳结构，对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号，其中，每个指定通信信号入射到超表面后，经过超表面的调控使得同频率入射角度不同的出射波束的模态不同，所述模态是指电磁波绕传播轴旋转的型态；具体按照以下公式，通过调整所述超表面中的各微纳结构的排列方式，使得调制模块的所述超表面呈现出指定相位分布，以对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控：
θi为入射到所述超表面的指定通信信号与所述超表面法线的夹角，θr为出射波束与所述超表面法线的夹角，λ为入射到所述超表面的指定通信信号的波长，Φ(x)为所述超表面在x方向上的相位变化；
所述解调模块用于将所述目标通信信号转换为各指定通信信号。
2.如权利要求1所述的基于超表面的太赫兹多维度通信系统，其特征在于，所述指定通信信号为：双极化太赫兹通信信号。
3.如权利要求2所述的基于超表面的太赫兹多维度通信系统，其特征在于，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、双极化天线；
所述第一激光器用于产生第一光载波，并将所述第一光载波传输到所述IQ调制器；
所述任意波形发生器用于产生基带通信信号，并将所述基带通信信号传输到所述IQ调制器；
所述第二激光器用于产生第二光载波，并将所述第二光载波传输到所述掺铒光纤放大器，所述第二光载波与所述第二光载波的频率不同；
所述IQ调制器用于将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并将所述基础第一光信号传输到所述掺铒光纤放大器；
所述掺铒光纤放大器用于对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号，以及，用于对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号，并将所述第一光信号以及所述第二光信号传输到所述耦合器；
所述耦合器用于对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号，并将所述耦合后光信号传输到所述第一光电探测器以及所述第二光电探测器；
所述第一光电探测器用于基于所述耦合后光信号拍频得到第一太赫兹通信信号，并将所述第一太赫兹通信信号馈入所述双极化天线；
所述第二光电探测器用于基于所述耦合后光信号拍频得到第二太赫兹通信信号，并将所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线；
所述双极化天线用于基于所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号，得到所述双极化太赫兹通信信号。
4.如权利要求3所述的基于超表面的太赫兹多维度通信系统，其特征在于，所述双极化天线包含：第一馈口、第二馈口；
所述第一光电探测器用于将所述第一太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第一馈口；
所述第二光电探测器用于将所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第二馈口；
所述双极化天线用于基于所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号，得到所述双极化太赫兹通信信号。
5.如权利要求1所述的基于超表面的太赫兹多维度通信系统，其特征在于，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统还包括：接收模块，所述接收模块包括：倍频器、混频器、带通滤波器、双极化天线、本振信号源、示波器；
所述双极化天线用于接收所述各指定通信信号；
所述本振信号源用于产生辅助载波信号；
所述倍频器用于对所述辅助载波信号进行倍频处理，得到倍频辅助载波信号；
所述带通滤波器用于对所述倍频辅助载波信号进行过滤处理，得到处理后辅助载波信号；
所述混频器用于基于所述处理后辅助载波信号对每个所述指定通信信号进行变频处理，以得到基带通信信号，并将所述基带通信信号输入到所述示波器，以进行任务执行。
6.一种通信方法，其特征在于，所述通信方法应用于基于超表面的太赫兹多维度通信系统，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统包括：产生模块、调制模块、解调模块，所述调制模块和所述解调模块由超表面组成，所述方法包括：
响应用户发送的数据传输请求，通过所述产生模块产生各指定通信信号，其中，频率相同的各指定通信信号入射到所述超表面的入射角度不同，其中，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器；通过所述产生模块产生各指定通信信号，具体包括：通过所述第一激光器产生第一光载波、通过所述任意波形发生器产生基带通信信号以及通过所述第二激光器产生第二光载波，所述第二光载波与所述第一光载波的频率不同；通过所述IQ调制器将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并通过所述掺铒光纤放大器对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号；通过所述掺铒光纤放大器对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号；通过所述耦合器对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，并通过所述第一光电探测器拍频得到太赫兹通信信号，作为指定通信信号；
将所述各指定通信信号传输到所述调制模块，以通过所述调制模块的所述超表面中按照指定排列方式排列的各微纳结构，对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控，以将各指定通信信号调制为目标通信信号，其中，每个指定通信信号入射到超表面后，经过超表面的调控使得同频率入射角度不同的出射波束的模态不同，所述模态是指电磁波绕传播轴旋转的型态；具体按照以下公式，通过调整所述超表面中的各微纳结构的排列方式，使得调制模块的所述超表面呈现出指定相位分布，以对每个指定通信信号入射到所述超表面后的出射波束的角度进行调控：
θi为入射到所述超表面的指定通信信号与所述超表面法线的夹角，θr为出射波束与所述超表面法线的夹角，λ为入射到所述超表面的指定通信信号的波长，Φ(x)为所述超表面在x方向上的相位变化；
将所述目标通信信号传输到所述解调模块，通过所述解调模块将所述目标通信信号转换为各指定通信信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述指定通信信号为：双极化太赫兹通信信号。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述产生模块包括：第一激光器、第二激光器、掺铒光纤放大器、任意波形发生器、IQ调制器、耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、双极化天线；
通过所述产生模块产生各指定通信信号，具体包括：
通过所述第一激光器产生第一光载波、通过所述任意波形发生器产生基带通信信号以及通过所述第二激光器产生第二光载波，所述第二光载波与所述第二光载波的频率不同；
通过所述IQ调制器将所述基带通信信号调制到所述第一光载波上，得到基础第一光信号，并通过所述掺铒光纤放大器对所述基础第一光信号进行放大，得到第一光信号；
通过所述掺铒光纤放大器对所述第二光载波进行放大，得到第二光信号；
通过所述耦合器对所述第一光信号与所述第二光信号进行耦合，得到耦合后光信号；
将所述耦合后光信号输入到所述第一光电探测器，以通过所述第一光电探测器基于所述耦合后光信号拍频得到第一太赫兹通信信号，以及，将所述耦合后光信号输入到所述第二光电探测器，以通过所述第二光电探测器基于所述耦合后光信号拍频得到第二太赫兹通信信号；
将所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线，得到所述双极化太赫兹通信信号。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述双极化天线包含：第一馈口、第二馈口；
将所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线，得到所述双极化太赫兹通信信号，具体包括：
通过所述第一光电探测器将所述第一太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第一馈口，以及，通过所述第二光电探测器将所述第二太赫兹通信信号馈入所述双极化天线的所述第二馈口，以通过所述双极化天线基于所述第一太赫兹通信信号以及所述第二太赫兹通信信号，得到所述双极化太赫兹通信信号。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于超表面的太赫兹多维度通信系统还包括：接收模块，所述接收模块包括：倍频器、混频器、带通滤波器、双极化天线、本振信号源、示波器，所述方法还包括：
通过所述接收模块的所述双极化天线接收所述各指定通信信号；
通过所述本振信号源产生辅助载波信号，并通过所述倍频器所述辅助载波信号进行倍频处理，得到倍频辅助载波信号，以及通过所述带通滤波器对所述倍频辅助载波信号进行过滤处理，得到处理后辅助载波信号；
通过所述混频器基于所述处理后辅助载波信号对每个所述指定通信信号进行变频处理，以得到基带通信信号，并将所述基带通信信号输入到所述示波器，以进行任务执行。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求6~10任一项所述的方法。
12.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求6~10任一项所述的方法。
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太赫兹波前调制超表面器件研究进展;贺敬文;董涛;张岩;;红外与激光工程(第09期);全文 *

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