光纤里传输的光同时携带模式、偏振、波长、强度四类信息，这四个维度一旦叠加，可区分的光状态数量呈指数增长，传统做法必须用棱镜、光栅、偏振片、滤光片把光拆成多路，再接探测器阵列分别测量。这套方案体积大、需要扫描、功耗高，并且是离体测量，光在拆分传播中还会引入串扰和噪声，无法贴在光纤端口做快速原位识别，成为多维光检测走向集成化的核心瓶颈。近日，南京大学徐飞教授、袁洪涛教授、陆延青教授等报道了一种集成于光纤端面的单像素器件，能够同时分辨光的模式（M）、偏振（θ）、波长（λ）与强度（I）四个维度。该器件由二维黑磷（BP）与黑砷磷（AsP）的扭转二色性层，以及环形光栅状的多电极结构组成，可产生空间依赖的光电响应。器件在光纤端面上堆叠了两个功能层，每层包含覆盖 BP 或 AsP 光敏材料的三对同心环电极，并用六方氮化硼（hBN）薄片绝缘和封装。外环电极作为公共地，内环电极与之构成共 6 个探测端口，其中 1–3 端口位于 BP 层、4–6 端口位于 AsP 层。几何电极结构在非均匀模式场下诱导不对称光激子产生，增强对光纤模式的灵敏度；其类光栅结构驱动衍射介导、波长依赖的光场能量再分布。BP 与 AsP 层具有不同的色散与光电特性，提供互补的波长和强度响应，并以扭转晶向产生带特定相移的偏振依赖响应。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，于2026年6月16日在线发表于Nature Electronics期刊。
从麦克斯韦方程组导出的光的本征参数——模式场、偏振、波长与强度，是光学传感、成像、通信与安全加密等领域的基础。光纤中的导波可同时携带这些不同维度的信息，使单根光纤的信息承载能力提升若干数量级。然而，每增加一个参数都会使光的状态数呈指数级增长，传统的光纤解复用系统必须借助庞大的光学元件，把光信号拆分到大量通道和探测器上分别探测，由此带来高能耗、扫描导致的时间延迟以及额外的噪声和串扰。
尽管已有不少紧凑型光电探测器尝试捕获强度以外的光信息（如光场、偏振或波长），但分别求解这些维度往往需要不同的策略，难以集成与并行处理。近期基于电学扫描或互补金属氧化物半导体的偏振-波长-强度联合探测方案，也受限于探测速度与器件紧凑度，难以满足光纤传感与通信对快速、原位探测的需求。
图文导读
图1 用于多维光识别的光纤集成器件。（a）可分析多维光参数的器件示意图。（b）基于 BP 和 AsP 的两个功能层沿光传播方向扭转堆叠在光纤端面上。（c）器件的伪彩色扫描电子显微镜图像，左图为固定在陶瓷插芯中的光纤器件（标尺 50 μm），右图为放大的堆叠电极结构与功能材料（标尺 10 μm），白色虚线圆表示光纤纤芯区域。（d）器件横截面的透射电子显微镜图像（标尺 1 μm），铂膜用于制样保护。（e）扭转 BP–AsP 堆叠与电极结构增强四维光参数灵敏度，产生用于精确解耦的特征电信号。（f）单像素器件以单次测量实现四维光参数探测，获得高输入态空间。
通过这种三维结构与材料设计，器件在六个端口产生一组差异化的光电压信号 Vn(M, θ, λ, I)，仅需一次测量即可高效区分四维光参数。器件有源区厚度约 70 nm、半径约 12 μm，探测速度约 100 kHz。在模式探测上，器件利用光纤模式强烈的非均匀照明：高斯型 LP01 与鞍型 LP11 模式在光敏材料上的不对称照明驱动电极对中不等的光载流子注入，产生模式特异的自驱动响应。在强度探测上，BP 与 AsP 层因混合光生机制权重系数不同而呈现不同的响应曲线；在偏振探测上，各向异性的 BP 与 AsP 对入射偏振态强烈依赖，扭转晶向使二者的 Vn–θ 曲线带有明显相移，建立一一对应关系。在波长探测上，类环形光栅结构诱导衍射波层内干涉，结合 BP 与 AsP 间的复折射率差异，在两材料层中产生互补的波长依赖响应，使器件可作为增强型波长计工作。
图2 器件的多维灵敏度。（a）双模光纤中两种模式的模拟电场分布，叠加电极分布。（b）不同偏振态下模式场的上转换图像，虚线轮廓表示电极几何（标尺 5 μm）。（c）不对称照明在金属–半导体–金属区诱导非均匀温度梯度、电势与光激子分离。（d）不同模式场下 BP 与 AsP 各端口的光电响应随强度的变化。（e）扭转晶体在不同模式下产生偏振依赖的光电响应（上三幅为 BP，下三幅为 AsP）。（f）不同模式组合下 BP 与 AsP 光电响应随偏振角的极坐标图。（g、h）LP01（g）与 LP11（h）模式下模拟的横截面及波长依赖光场分布。（i）BP 与 AsP 层关于波长、偏振与模式场的光电响应度。
由于多维光入射会使各端口信号中的参数复杂耦合，作者构建离散预校准数据库，将四维光参数的响应映射为不同 λ 与 M 状态下的 θ–I 曲面，并用均方根误差（RMSE）最近邻搜索完成解耦。在区分 7 个模式场、7 个波长、19 个偏振态与 10 个强度构成的 9310 个输入态时，解耦准确率超过 99%。对于连续变化的单一维度，借助样条插值细化数据库，校准态的识别精度可达偏振 Δθ≈0.14°、波长 Δλ≈0.016 nm、强度 ΔI≈1.68×10⁻⁴ mW；对未校准的未知态，精度分别约为 0.34°、0.12 nm 与 1.12×10⁻³ mW，与同类单功能紧凑器件相当。整套解耦算法在个人电脑上仅需约微秒级处理时间。
图3 多维解耦过程。（a）求解四维光参数的算法示意图。（b）照明 LP11y 模式时所有模式态的 RMSE 统计值（n=570）。（c）不同模式态正确解耦（低 RMSE）与错误结果（灰框、高 RMSE）的对比。（d–f）偏振（d）、波长（e）、强度（f）各单一维度的解耦结果，空心圆为参考值，红点为校准态重建结果，其他彩色点为未知态预测结果，柱状图为统计标准差。（g）一系列偏振-波长-强度态的解耦，黑色虚线为真值，红、蓝虚线分别为校准态与未知态的解耦。（h）将 g 投影到 λ–θ 与 λ–I 平面。（i）g 中各维度（偏振、波长、强度）的解耦结果。
作为应用演示，作者展示了多维图像加密通信：将一幅 6 比特原始图像按三个偏振态分为 RGB 三通道，各通道用逻辑混沌系统加密，密钥编码进顺序加载的波长态中；密文再编码到模式与强度态（共 64 种组合）随传输同步携带颜色与密钥信息，密钥空间超过 10⁸。接收端的器件精确识别四维光参数并重建图像，重建图与原图的结构相似性指数（SSIM）高达 0.9917。若器件在某一光维度上缺失或不精确，重建图像将明显损坏，凸显了多维光探测对提升信息容量与安全性的重要性。
图4 多维图像加密/解密过程。（a）加密过程示意图。（b）密文片段上的偏振与波长调制，偏振态 θ1–3 对应 RGB 通道，波长 λ1–5 对应隐藏密钥。（c）加载到模式与强度态上的密文（自上而下为首段至末段）。（d）数据库建立过程，携带模式（上）与强度（中）的入射光用器件光电压响应（下）校准。（e）六端口在加密光态下的光电压响应。（f）接收数据的四维光参数识别结果，从左到右为携带不同波长与偏振的顺序密文片段。（g）利用接收密文与密钥的图像重建过程。（h）器件缺乏完整四维识别能力时模拟的错误重建结果。
结论展望
该工作实现了在光纤端面上以单像素器件、单次测量完成四维光参数的识别。器件结构增强了对所有光维度的灵敏度并产生特征光电响应，省去了外部探测器阵列、滤光片阵列、笨重的偏振/色散元件、准直器与聚焦透镜，可支持约 10⁴ 个分立光态，并可通过细化各维度离散化进一步扩展态空间。
作者同时指出了局限与方向：将该方法推广到支持更多模式的多模光纤具有挑战，因为稳定且可区分的模式响应难以维持；金属–半导体肖特基结的对称破缺原则上支持全斯托克斯偏振识别，但在四维同时变化时信号重叠与校准困难使全斯托克斯重建仍具挑战。器件目前工作于波长计模式，适用于光纤监测、波长锁定与光学加密等需要快速、准确识别中心波长的场景；未来借助 BP–AsP 异质结的光晶体管特性进行电致光谱调制，有望丰富编码空间并支持宽带光谱重建。
论文信息
Identification of the mode, polarization, wavelength and intensity of light using a one-pixel device on an optical fibre tip
Yifeng Xiong†, Shaochen Fang†, Yining Xu†, Yu Lei, Lingyi Ao, Liuwei Zhan, Zixuan Ding, Hengtian Zhu, Maojie Chen, Zeya Li, Wencai Ren, Jinhui Chen, Ye Chen, Yan-qing Lu*, Hongtao Yuan*, Fei Xu*.
Nature Electronics (DOI: 10.1038/s41928-026-01660-x, 2026)
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