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Nature论文仿真复现(含源码)| 圆形艾里光束助力水下光通讯
在6G时代，水下物联网对高稳定性、低时延、大容量的通信需求日益迫切。然而，水下信道中无处不在的障碍物、气泡和湍流，始终是传统水下无线光通信（UWOC）难以逾越的障碍。复旦大学信息科学与工程学院迟楠、沈超团队，联合鹏城实验室余少华院士、哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授等，在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了一项重磅研究。他们设计了一款基于超表面的全彩圆形自动聚焦艾里光束发射器，为稳定、高速、长距离的水下光通信开辟了新路径
传统蓝光为啥难挑大梁
传统UWOC系统多采用蓝光高斯光束，因其在纯水中衰减系数最小。但真实水下环境复杂多变：
水质变化：随着杂质浓度升高，最佳通信波长会从蓝光向绿光、红光偏移；
物理遮挡：障碍物会导致接收光功率（ROP）大幅降低；
气泡扰动：气泡引发的空气-水湍流会严重干扰光束质量
单一波长的高斯光束难以应对这些“不速之客”。
艾里光束
研究团队将目光投向了艾里光束（Airy Beam） 。这种光束具有三大独特优势：
自加速：沿弯曲轨迹传播；
无衍射：传播过程中不易扩散；
自愈合：遇到障碍物后能自行“修复”。
团队进一步设计了圆形自动聚焦艾里光束（CAFAB） ，将能量汇聚于环形主瓣。
超表面
传统艾里光束生成依赖空间光调制器或复杂透镜系统，体积庞大且难以集成。研究团队另辟蹊径，采用超表面（Metasurface） 技术--一种由亚波长结构组成的超薄平面材料，能精确调控光的振幅、相位和偏振。
Figure 1: 超表面结构
这款超表面由SiO₂基底和TiO₂纳米柱构成，通过叠加立方相位与菲涅尔透镜相位设计相位分布。实验数据显示，在440-640 nm宽波段内保持高偏振转换效率；RGB三波长理论效率分别达79.6%、90.2%、76.0%；实际偏振转换效率分别达63.55%、77.5%、63.10%
结果
研究团队在2米水槽中模拟了障碍物、气泡等真实场景，对比传统高斯光束与艾里光束的性能：障碍物尺寸达0.57倍光束孔径时，RGB艾里光束仍维持19.9 Gbps速率，远超高斯光束的9.5 Gbps （抗遮挡）；气泡最严重时，艾里光束将接收光功率波动范围分别缩减52.44%、30.55%、27.96% （抗气泡）；等效100米传输中，复杂信道下数据速率从6.32 Gbps提升至12.1 Gbps，提升幅度高达91%（长距离传输）。
Figure 2: 实验结果
在4K超高清视频传输实验中，艾里光束系统的峰值信噪比（PSNR）稳定在43 dB左右，结构相似性（SSIM）持续高于99.3% ；而高斯光束系统平均PSNR仅19.62 dB，SSIM仅49.02%。
仿真
在这篇文章中，超表面的相位是通过立方相位
Figure 3: 生成超表面相位
以下代码片段用于实现超表面相位：
clc;clear;close all;%% ================== 自加速圆艾里光束的相位图 ===========================lambda = 455e-6; % 波长 455 nmN = 1024; % 像素点数L = 0.2; % 尺寸：200μm × 200μmr0 = 50e-3; % 环偏移 50 μmb1 = 1/(100e-3); % 强度因子f = 1; % 焦距 50 mm[x,y,X,Y,theta,R,dx,dy] = producing_normal_grid2D(L,N);% =============================== 相位 ====================================phi_airy = (2*pi*b1)^3*(R-r0).^3; % 立方相位phi_f = -2*pi/lambda*(sqrt((R-r0).^2+f^2)-f); % 聚焦相位项phi_meta = phi_airy+phi_f; % 超表面相位U = {phi_airy,phi_f,phi_meta};figure('Position',[001200800],'Color','w')for i =1:length(U) subplot(1,length(U),i) phase = mod(angle(exp(1i*U{i})),2*pi); imagesc(x,y,phase); colormap(gca,gray(255)); clim(gca,[0,2*pi]);colorbar axis equal;axis([-L/2,L/2,-L/2,L/2]);axis off;end为了验证圆形艾里光束的自聚焦结果，用瑞利-索末菲积分：
利用matlab代码计算x-z切面的结果：
%%========================================================================% 计算 x-z （y=0） 截面%%========================================================================Nx_obs = N; % 观察线采样Nz = N; % 轴向采样 x_obs = linspace(-x_obs_max, x_obs_max, Nx_obs);z_list = linspace(z_min, z_max, Nz);Ixz = zeros(Nx_obs, Nz); %2D数组，不超过三维fprintf('开始计算 x-z 图...\n');tic;for iz =1:Nz z = z_list(iz);for ix =1:Nx_obs xo = x_obs(ix); yo =0; R =sqrt((xo - Xs).^2+ (yo - Ys).^2+ z^2);% Rayleigh-Sommerfeld kernel K =exp(1i*k*R) ./ R .* (z ./ R) .* (1-1./(1i*k*R)); U =sum(sum(U0 .* K)) * dx * dx / (1i*lambda); Ixz(ix, iz) =abs(U).^2;end fprintf('z-step %d / %d finished\n', iz, Nz);endtoc;% 归一化与显示增强Ixz = Ixz /max(Ixz(:));Ixz_show =sqrt(Ixz);计算选定的三个平面的横截面强度分布：
tic;for ip = 1:3 z = z_planes(ip); I2 = zeros(Nimg, Nimg);for iy = 1:Nimgfor ix = 1:Nimg xo = Xo(iy, ix); yo = Yo(iy, ix); R = sqrt((xo - Xs).^2 + (yo - Ys).^2 + z^2); K = exp(1i*k*R) ./ R .* (z ./ R) .* (1 - 1./(1i*k*R)); U = sum(sum(U0 .* K)) * dx * dx / (1i*lambda); I2(iy, ix) = abs(U).^2;end fprintf('plane %d, row %d / %d finished\n', ip, iy, Nimg);end I2 = I2 / max(I2(:)); Iplane{ip} = I2; line_center{ip} = I2(round(Nimg/2), :);end计算完成后，save[NAME,".mat"]将结果保存为-mat文件，然后运行CAB_plot重新绘制结果。
Figure 4: 仿真圆艾里光束纵向分布
如图4所示，展示了RGB三种波长的圆艾里光束沿着z方向的强度分布。采样数256，b1=0.01μm^-1，横向r0为50μm，f为1mm，观察面横向±90μm。
Figure 5:仿真圆艾里光束横向分布
图5展示了三个不同位置：1mm、5.50mm、10mm处的强度切片。
总结
这项研究不仅验证了超表面艾里光束发射器在抗干扰、高速率方面的巨大优势，更为6G时代水下物联网的互联互通奠定了坚实基础。未来，随着激光模块与超表面的进一步集成，结合注入锁定与WDM技术，UWOC系统的容量和距离有望实现指数级增长。
从蓝光到全彩，从高斯到艾里，从 bulky 光学系统到超薄超表面——这项突破让我们有理由相信，深海中的高速互联，已不再遥远。