【文章简介】光子的多维参数（如空间模式、偏振、波长和光强）的原位实时监测对于构建下一代大容量信息技术、量子通信和智能具身视觉至关重要。然而，由于光状态的空间自由度随参数增加呈指数级爆炸，传统的检测系统不得不依赖庞大的分光光学元件（如棱镜、偏振片和波导阵列）将光信号分流到成百上千个不同的物理通道和光电探测器中，这极大地限制了终端系统的集成度。近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐飞教授、陆延青教授和袁洪涛教授团队在国际顶级电子学期刊 Nature Electronics 上发表题为“Identification of the mode, polarization, wavelength and intensity of light using a one-pixel device on an optical fibre tip”的研究论文。该研究从低维材料界面工程与电极拓扑设计层面另辟蹊径，首次在石英光纤端面上集成了一款仅有单像素（One-pixel）的紧凑型微纳探测器件。该器件核心由空间扭转、具备强各向异性线性二色性的二维黑磷（BP）与黑砷磷（AsP）非对称叠层异质结组成，并巧妙互连了形如环状光栅（Ring-grating-like）的拓扑多通道电极。得益于低对称晶格的空间取向依赖响应和环状电极在不同空间模式光斑下的局域重组能力，该单像素器件能够在一步（One-shot）瞬态闪光测量下，同时解耦出光场的多模态空间轨道角动量、线性偏振极化角、变频波长以及即时辐射强度。系统成功构建了高达上万个异质光态的 recognizable 输入状态相空间，为极端资源受限的边缘视觉感知和全光网络硬件诊疗开辟了微纳器件层面的全新演进路径。
【图文导读】
图 1 | 集成在光纤端面上的单像素多维光状态探测器的设计概念与工作流原理。传统的多参数光电探测系统由于物理限制，不得不通过庞大且复杂的片外或片上分光元件将不同波长、偏振和空间模式的光束分别分流到成百上千个独立的单功能光电探测器阵列中进行耗能的串行解码，而本工作提出的单像素光电芯片直接原位微纳集成在标准的通讯石英单模或多模光纤的微型端面上，其核心由低对称、高偏振敏感的二维黑磷与黑砷磷多层纳米薄片空间交错对齐构筑而成，在外接定制的环状光栅拓扑漏源电极网格后，系统通过这单个像素在单次脉冲闪光泵浦下自发产生六个完全独立的特征通道光电流响应矢量，进而由轻量化线性回归或人工神经网络后端直接、零传输延迟地一步解码出入射光子的空间特征模式、矢量偏振状态、宽带变频波长以及绝对辐射能量强度四大维度参数。
图 2 | 器件的核心微纳层级形貌、三维拓扑电极架构与非对称异质结的光谱输运表征。制造完成的光纤端面单像素器件在扫描电子显微镜和高分辨率透镜下展现出极高共形的拓扑形态，多通道环状金电极在微米级纤芯表面形成高度均匀的空间向心辐射轨迹，微区电子衍射与显微拉曼光谱特征峰的空间扫描映射热图严格证实了多层黑磷与黑砷磷单晶晶格在人工扭转堆叠后依然保持着完美的低对称各向异性骨架与极佳的界面机械接触，器件在纯暗态以及不同漏源偏置偏压调控下表现出稳定的电学输运回线，不仅具有极低的暗电流噪声基底，更在可见光至近红外通信波段（1310 nm 到 1610 nm）内形成了由电场可调谐陷阱电荷导致的、空间非均匀分布的高灵敏度偏振依赖 responsivity 编码特征矩阵。
图 3 | 空间依赖光电流响应矢量的产生机理与四维光参数的一步解耦重构演示。当具有特定空间排布特征的偏振光斑（如不同拓扑荷数的轨道角动量超表面光束）聚焦泵浦器件表面时，由于二维层状材料特有的线性二色性吸收各向异性与环状多电极在几何空间上的局域乘积效应，六个探测极耳引脚会原位、并行输出一组在振幅和相位上完全不退化的响应电流矢量，系统详细建立并展示了光电流随偏振角连续旋转三百六十度时在各个极轴通道上划出的各向异性马鞍形极坐标圆盘映射图谱，通过直接运行基于经典最小二乘法的线性反演解码矩阵，芯片在不需要任何机械移动或动态波长扫描的前提下，成功在毫秒级无感时间内无损、高保真地逆向解析出了测试集输入光的模式阶数、线偏振矢量方向、精准单色波长以及即时衰减功率。
图 4 | 基于单像素光纤端面芯片的大规模状态空间分类识别与多模态相干光信息解密。系统通过连续调整和交叉重组四个输入光学变量，在物理上人为构筑了一个包含了近万个完全不相干、非退化多维独特光状态的巨量特征相空间，多态混淆矩阵与基于三维主成分分析的降维可视化特征聚类图谱清晰地表明，该芯片在面对工艺涨落以及高达百分之三十的外部随机环境空间噪声扰动时，对跨越上千个状态的光学语义直接分类准确率依然稳稳坚挺在百分之九十八以上的平坦高精度基准线上，为了进一步验证其在前沿硬件级高安全性保密通信中的拓扑威力，系统成功演示了一套基于四维光状态空间编码的片上逻辑全光解密和自适应数据清洗网络，在零 ADC 开销下将多信道并行串扰误码率压低了数个数量级。
【总结】该研究针对传统光电探测系统在面对大容量、多维度矢量光场监测时材料单一、架构臃肿且严重依赖分光物理硬件的通病，独辟蹊径地将低维材料独特的各向异性结构色散与电极的几何空间拓扑进行了深度协同工程。通过在微小的光纤端面上精巧集成单像素双层扭转二维异质结，成功将原本需要在庞大空间光路中分步完成的模式切分、偏振反演与光谱扫描操作，完美浓缩进了单次闪光下的片上多通道电流矢量重组中。这一兼具凝聚态物理优雅性与微纳器件实用性的感算一体化方案，为突破后摩尔时代移动物联网节点的体积壁垒与功耗瓶颈、构筑柔性全能型具身智能视觉触手提供了全新的硬件里程碑。
【参考文献】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. Electronics (2026). DOI:https://doi.org/10.1038/s41928-026-01660-x
