南京大学徐飞最新Nat. Electron:多维光探测,利用光纤尖端转角BP/AsP单像素器件识别光的模式、偏振、波长和强度
【摘要】
光的模式、偏振、波长和强度等固有参数的原位监测，对于高容量信息技术的发展至关重要。然而，随着光信号维度的增加，光状态的数量呈指数级增长。传统的检测系统通常需要利用庞大的光学元件将光信号分流到众多的通道和光电探测器中，这带来了高能耗、扫描引起的延迟以及额外的传播噪声和串扰等问题。虽然此前有研究尝试开发超越单一强度检测的紧凑型探测器，但同时处理多维度参数依然面临巨大挑战。2026年6月16日，南京大学徐飞教授、袁洪涛教授、陆延青教授等人报道了一种集成在光纤端面上的单像素器件。该器件基于扭角堆叠的二维黑磷（BP）和黑砷磷（AsP）双色性非对称层，并结合了环形栅格状电极架构。该器件能够产生空间依赖的独特性光响应，在单次测量中即可输出六个截然不同的光电压通道。利用基于均方根误差（RMSE）的最近邻搜索算法，该系统成功实现了对模式、偏振、波长和强度的四维（4D）光参数解耦探测，创造了高达约10⁴个可识别的输入状态空间。该工作不仅展现了极高的四维参数识别精度，还成功将其应用于多维图像加密通信，为下一代高性能、紧凑型光纤传感与通信原位监测提供了全新的解决方案。
【正文内容】
图1 | 用于多维光识别的光纤集成器件。a 可分析多种光参数的器件示意图；b 沿光传播方向扭角堆叠在光纤端面上的BP和AsP功能层；c 器件伪彩SEM图像（左图：固定在陶瓷插芯中的光纤器件，比例尺50 µm；右图：放大后的电极架构与功能材料，比例尺10 µm，虚线圆圈代表光纤纤芯）；d 沿c中虚线截面的TEM图像（比例尺1 µm，Pt膜用于保护样品）；e 扭角BP-AsP堆叠与电极架构提升4D光参数敏感性并产生特征电信号的原理示意；f 单像素单次测量实现高输入状态空间探测的趋势对比。图1表明，该研究设计的单像素光纤端面探测器由结构独特的双层多端口架构组成。每一层均包含三对 concentric 环形电极，分别覆盖有二维黑磷（BP）或黑砷磷（AsP）作为光电活性材料，并由六方氮化硼（hBN）纳米薄片进行绝缘和封装。在整体结构中，外环电极（E₄）作为公共地电极，与内环电极（E₁-E₃）共同构成了六个独立的探测端口。其中端口1-3位于BP层，端口4-6位于AsP层。通过将几何电极架构与扭角各向异性二维材料相结合，器件可以在单次测量中产生六个具有多维特征的光电压信号，从而在极小的微纳级物理尺寸内，省去传统系统所需的庞大分光元件，高效地为光信号打上独一无二的“光指纹”。图2 | 器件的多维敏感特性展示。a 双模光纤中两种模式的模拟电场分布及电极重叠；b 不同偏振态下模式场的上转换图像（虚线表示电极几何形状，比例尺5 µm）；c 非均匀光照诱导的非对称温度梯度、电势及光生激子分离；d BP和AsP层中各端口光响应随强度的变化曲线；e 扭角晶体在不同模式下产生的偏振相关光响应；f 偏振角函数下光响应的极坐标图；g, h LP₀₁和LP₁₁模式下模拟的横截面及波长相关光场分布；i 与波长、偏振和模式场相关的BP及AsP层光响应率。 图2中，器件对四维光参数的敏感性源于二维晶体的材料各向异性与环形栅格电极的几何设计。对于模式场传感，光纤模式强烈的非均匀光照会驱动不等的电荷载流子注入，从而在结构化电极中产生模式特定的自驱动响应。在强度传感方面，BP和AsP层由于光生机制权重系数的差异而表现出截然不同的响应曲线。对于偏振传感，由于BP和AsP晶体取向存在扭角，它们在特定的模式状态下会产生具有明显相位差的偏振相关电压曲线，建立起一一对应的映射关系。最后，在波长传感方面，类似环形光栅的电极结构会引发衍射波的层内干涉，导致局部光场能量的重新分布，配合材料本身的色散效应，成功将离散的波长点独特地编码进六端口的响应数据集中。图3 | 多维光参数的解耦过程与精度分析。a 用于解析4D光参数的算法流程图；b 照射LP₁₁ₓ模式时所有模式状态的统计RMSE值（样本量n=570）；c 正确解耦状态（低RMSE）与错误状态（灰色框，高RMSE）的RMSE分布对比；d–f 偏振(d)、波长(e)和强度(f)单光维度的解耦结果（空心圆为参考值，红点为已校准状态重建结果，其他色点为未校准未知状态预测结果，直方图为统计平均标准差）；g 一系列偏振-波长-强度耦合状态的解耦展示（黑虚线为真实值，红/蓝虚线分别为校准和未知状态结果）；h g中结果在λ-I和θ-I平面的投影分析；i 多维光入射下各维度的解耦结果。图3中，面对多维度入射光带来的参数交织耦合，构建了高维度的预校准数据库，将测得的光电压响应映射为不同波长和模式状态下的三维响应曲面。操作过程中，单次测量输出的六端口光电压数据通过基于均方根误差（RMSE）的最近邻（1-NN）搜索算法与数据库进行比对，最小RMSE对应的条目即为输出状态。实验结果表明，该系统能够成功解耦包含7个模式场、7个波长、19个偏振态和10个强度在内的共9310个离散光入射状态，准确率超过99%。此外，通过三次样条插值技术，器件在面对连续变化的偏振、波长和强度预测时同样表现出极高的精度，其未校准未知状态的预测误差和标准差极低，具备卓越的跨校准点预测能力和微秒级的超快处理速度。图4 | 多维图像加密与解密通信流程。a 加密过程示意图；b 密文段的偏振和波长调制（偏振态θ₁₋₃对应RGB通道，波长λ对应隐藏密钥）；c 加载在模式和强度状态上的密文流；d 数据库建立过程（利用光电压响应校准模式和强度状态）；e 携带加密光状态时六个端口的光电压响应输出；f 接收数据的4D光参数识别结果；g 使用接收到的密文和密钥进行图像重建的过程；h 当器件缺乏完整的4D光参数识别能力时，模拟的错误重建图像结果。图4中，作为概念验证，展示了一种利用4D光参数进行多维图像加密通信的完整系统。在一套6比特的RGB原始图像传输中，空间数据首先被拆分为三个色彩通道，并引入逻辑混沌系统进行加密。决定混沌映射的隐藏密钥被编码进不同的波长序列中，而图像的密文数据则被进一步编码进7种模式和10种强度的组合状态中进行光纤传输。在接收端，单像素探测器原位捕捉光电压信号并识别出4D光状态，成功将数据重新排列回对应的RGB通道并利用波长获取的密钥进行解密。最终重构的图像与原始图像的结构相似性指数（SSIM）高达0.9917。仿真同时表明，如果探测器在任意一个光维度上的精度有所缺失，重构出的图像都将遭到严重破坏，充分证实了该技术在提升通信容量与安全性方面的巨大潜力。【总结与展望】
该研究成功报道了利用固定在光纤端面上的单像素器件实现四维光参数单次测量的全新方法。这种创新的器件架构不仅显著增强了对所有光参数维度的光电探测敏感性，还产生了一组极具辨识度的特征光响应，从而实现了精准的光参数原位识别。这一成果成功消除了传统多维探测对外部探测器阵列、滤波器阵列、庞大的偏振/色散元件、准直器以及聚焦透镜的依赖，实现了系统的高度集成与轻量化。目前，该器件已能支持约10⁴个独立的离散光状态空间，且未来通过进一步细化各个光维度的离散化步长，该状态空间还有望获得进一步扩展。尽管该方法基于线偏振模式独特的偏振和光场分布，能够成功在诸如四模光纤的高维模式空间中识别多种模式，但在将其扩展至拥有更多模式的传统多模光纤时，由于难以在复杂的模场干扰下维持稳定且可分辨的模式依赖响应，依然存在较大的技术挑战。此外，虽然金属-半导体肖特基结引起的对称性破缺赋予了器件检测圆偏振和椭圆偏振的能力，但在四维参数同时变化的复杂环境下，信号的重叠以及校准的困难使得全斯托克斯参数（Full-Stokes）的完全重建仍面临挑战。当前器件工作在波长计模式，由于单次测量中可用的编码维度有限，其目标并非进行宽带光谱重建（如宽带化学传感或波长分级复用），但这种离散波长操作模式已经非常适用于光纤原位监测、波长锁定和光学加密等需要快速准确识别入射中心波长的应用场景。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).文章链接：https://doi.org/10.1038/s41928-026-01660-x
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
