南京大学徐飞教授、袁洪涛教授&陆延青教授NE——利用光纤端面上的单像素器件识别光的模式、偏振、波长和强度

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光的模式场、偏振、波长和强度等本征参数承载着丰富信息，是光学传感、成像、通信和安全加密等技术发展的重要基础。在光纤系统中，多维光信息可显著提升单根光纤的数据传输容量，但随着光参数维度增加，光状态数量呈指数增长，使传统解复用系统需要借助庞大的光学元件、复杂分光通道和大量探测器完成信号分离与检测。这类离位检测方式不仅增加系统体积和能耗，还会带来扫描延迟、传播噪声和串扰等问题。尽管已有紧凑型光电探测器可用于光场、偏振或波长等单一维度信息的识别，但不同参数通常依赖不同器件设计和检测策略，难以实现高度集成和同步处理。近年来，基于电学扫描或CMOS平台的偏振–波长–强度联合探测方案虽取得一定进展，但仍受限于检测速度和器件紧凑性，难以满足光纤传感与通信中对快速、原位、多参数光信息解析的需求。因此，发展能够在小型化器件中同时、快速识别多维光参数的新型探测策略具有重要意义。

南京大学徐飞教授、袁洪涛教授和陆延青教授提出了一种集成于光纤端面的单像素光电探测器，可实现对光模式场、偏振、波长和强度四维光参数的快速原位识别。该器件将扭转二向色性材料与波长尺度的类光栅多电极结构相结合，通过二者耦合作用产生六种差异化光响应，从而突破传统多像素或多次测量方案对复杂光学系统的依赖。器件有效工作区域仅约70 nm厚、12 μm半径，却可通过单次测量实现约100 kHz的快速检测，并凭借不同光状态下显著的响应差异，对四维光信息进行高精度识别，误差较低，可分辨约10⁴个离散输入状态，具备处理大容量光信息的能力。进一步地，该器件还被用于高维图像加密通信演示，表明其在光纤传感、通信和安全加密等场景中具有重要应用潜力。该文章以“Identification of the mode, polarization, wavelength and intensity of light using a one-pixel device on an optical fibre tip”为题发表在国际顶级期刊Nature Electronics上。

图2-器件对模式、强度、偏振和波长的多维敏感性来源：图2系统说明了该器件能够同时感知四维光参数的物理基础。首先，不同光纤模式（如LP₀₁、LP₁₁x和LP₁₁y）在光纤端面具有不同的空间场分布，环形电极与非均匀光场相互作用后，会在不同电极对之间产生差异化的自驱动光响应，从而实现模式场识别。其次，BP和AsP两种材料由于光生载流子产生机制和光电响应系数不同，在不同光强下表现出各自的响应曲线，使强度信息可被编码进多端口信号中。对于偏振识别，BP和AsP的各向异性晶体结构带来显著的偏振依赖响应，而两层材料的扭转取向进一步引入相位差，使不同偏振状态对应不同的六端口响应组合。对于波长识别，环形电极类似光栅结构，会引起波长相关的光场再分布，同时BP与AsP的材料色散差异提供互补响应。该图表明，器件并非依赖单一光电流幅值变化，而是通过空间模式、电极几何、材料色散和偏振各向异性的耦合，形成具有唯一性的多维光响应指纹。

图3-四维光参数解耦算法与识别精度验证：图3展示了从六端口光电压信号中解耦四维光参数的算法流程和识别结果。作者首先建立预校准数据库，将不同模式场、偏振角、波长和强度组合对应的六路光响应进行记录；实际检测时，将一次测量得到的六端口信号与数据库进行均方根误差（RMSE）匹配，并通过最近邻搜索确定最接近的输入状态。结果表明，不同模式状态之间的RMSE差异明显，正确识别结果对应最低RMSE，而错误匹配的RMSE显著更高，说明六路响应具有足够的状态区分度。进一步地，器件可在离散模式识别基础上，对连续变化的偏振、波长和强度进行插值预测，实现对校准状态和未知状态的高精度识别。对于多维同时变化的光输入，器件仍能较准确地重构偏振、波长和强度信息，证明该单像素结构具备从复杂耦合响应中解耦高维光信息的能力。该图核心体现了器件从“多端口响应指纹”到“多维光参数重构”的数据处理逻辑。

图4-基于四维光参数识别的图像加密通信演示：图4展示了该器件在高维图像加密通信中的应用验证。原始图像首先被分解为RGB三个颜色通道，并利用不同偏振状态分别承载不同颜色信息；随后，不同波长状态被用作隐藏密钥，而模式场与光强组合则用于编码像素灰度信息，从而将图像数据映射到模式、偏振、波长和强度构成的四维光状态空间中。传输过程中，加密信息以连续光状态序列形式进入光纤，并由集成在光纤端面的单像素器件转换为六路光电压信号。经过预校准数据库识别后，系统可恢复每一段信号对应的四维参数，并据此重建加密图像，再结合波长携带的密钥完成解密，最终获得与原始图像高度一致的重构结果。图中还模拟了偏振、波长或模式/强度识别错误时的重构失败结果，说明四维光参数的完整、准确识别对高容量和高安全性通信至关重要。该图证明，该器件不仅可用于多参数光纤传感，也可服务于高维光信息编码、加密和通信应用。

【文献总结】

综上，文章实现了基于光纤端面单像素器件的四维光参数单次检测，可同时识别模式场、偏振、波长和强度信息。器件通过BP–AsP扭转异质结构和多端口环形电极设计，增强了对不同光维度的响应差异，能够在无需外部探测器阵列、滤波阵列、偏振/色散光学元件、准直器和聚焦透镜的情况下，实现快速、紧凑的原位光信息解析，并支持约10⁴个离散光状态，未来还可通过细化各维度离散程度进一步扩展状态空间。该器件可利用线偏振模式的偏振和光场分布差异识别多种模式，但在模式数量更多的多模光纤中，保持稳定且可区分的模式响应仍具有挑战。同时，金属–半导体肖特基结引入的对称性破缺使器件具备探测圆偏振和椭圆偏振的潜力，但在四维参数同时变化时，信号重叠和校准复杂度仍限制了全Stokes重构。该器件当前主要作为离散波长计使用，适用于光纤监测、波长锁定和光加密等需要快速准确识别中心波长的场景，而非面向宽带化学传感或波分复用的完整光谱重构。未来，利用BP–AsP异质结构的类光晶体管特性引入电调光谱调制，有望进一步丰富编码空间，并拓展其宽带光谱重构能力。

文章信息：Xiong, Y., Fang, S., Xu, Y. et al. Identification of the mode, polarization, wavelength and intensity of light using a one-pixel device on an optical fibre tip. Nat Electron (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41928-026-01660-x