对光的不同参数进行原位监测，对于大容量信息技术的发展至关重要。然而，随着参数的增加，光状态数呈指数增长，传统检测系统必须使用庞大的光学元件将光信号分入众多通道和光电探测器。在此，我们报道了一种集成在光纤端面上的单像素器件，能够同时分辨光的模式、偏振、波长和强度。该器件基于扭转的二向色性黑磷和黑砷磷层以及环栅状电极，可产生空间依赖的响应。该器件产生六种不同的光响应，我们利用它实现了单次测量的四维光检测，创建了约10⁴种可识别输入状态的大型空间。我们还展示了该方法可用于多维图像加密通信。2026年6月16日，相关研究成果以“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，南京大学徐飞教授、袁洪涛教授和陆延青教授为论文共同通讯作者。对光内在参数的表征——源自麦克斯韦波动方程——对于光学传感、成像、通信和安全加密的发展至关重要。光纤中的导波承载着多种不同信息——包括模场、偏振、波长和强度——将单根光纤的数据承载能力提升了数个数量级。然而，每增加一个参数都会导致光状态数呈指数增长，给光纤解复用系统带来挑战，这些系统必须使用庞大光学元件将光信号分入众多通道和光电探测器。这些非原位检测策略导致了高能耗、扫描引起的时间延迟，以及光传播过程中额外的噪声和串扰。尽管人们已尝试设计能够捕获强度之外光信息的紧凑型光电探测器——如光场、偏振或波长——但分辨这些单个维度通常需要不同的策略，这使得集成和同时处理具有挑战性。近期关于使用电学扫描方法以及基于CMOS的策略进行联合偏振-波长-强度检测的报道，也受限于检测速度和器件紧凑性。这使得它们不适合光纤传感和通信所需的快速、原位光参数检测。
在本文中，我们报道了一种集成在光纤端面上的器件，能够识别四维光参数：模场、偏振、波长和强度。该器件将扭转的二向色性材料与波长尺度的环栅状多电极架构相结合，通过其组合相互作用提供六种不同的光响应。与多像素或多拍摄策略不同，我们的方法使用单像素器件（有源区厚度约70 nm，半径约12 μm）通过单次测量实现了传输的四维光信息的快速原位传感。由于不同光状态下的响应差异明显，我们的器件在识别四维光参数方面具有高精度和最小误差，实现了约10⁴种可识别离散输入状态的大型空间以处理大量光信息。我们还展示了该器件可用于高维图像加密通信。
我们报道了使用光纤端面上的单像素器件对四维光参数进行单次检测。该器件架构增强了对所有光维度的光敏性，并产生特征光响应以实现精确的光参数识别，无需外部光电探测器阵列、滤波器阵列、庞大的偏振/色散元件、准直器和聚焦透镜。我们的器件可以支持约10⁴种独立光状态，通过细化每个单独光维度的离散化，该状态空间可进一步扩展。通过利用线偏振模式的不同偏振和光场分布，我们的器件可以识别高维模式空间中的多种模式，如四模光纤中支持的那些。然而，将这种方法扩展到具有更多模式的多模光纤是具有挑战性的，因为在这种情况下很难保持稳定的模式依赖可区分响应。金属-半导体肖特基结引起的对称性破缺使器件能够检测圆偏振和椭圆偏振，并且在原理上支持仅偏振任务的全斯托克斯识别。然而，在同时存在四维变化的情况下，信号重叠和校准困难使得在当前多维设置中实现全斯托克斯重建具有挑战性。器件以波长计模式工作，并不旨在实现全光谱重建（如宽带化学传感或波分复用），因为单次测量中可用的编码维度有限。这种离散波长操作非常适合光纤监测、波长锁定和光学加密等应用，其中快速准确地识别入射中心波长至关重要。此外，BP-AsP异质结构支持类光电晶体管操作，因此电诱导的光谱调制可用于丰富编码空间并在未来实现中支持宽带光谱重建。
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
