光纤中真的是“一束光沿着一条路向前跑”吗？

在许多人的直觉里，光纤就像是一根细细的管道，光从一端进去，从另一端出来，传输过程也没有太多悬念。但是在多模光纤中，事情远没有这么简单。这里的光不再走一条“单车道”，更像是同时挤进了一套复杂的立交桥系统——不同的空间模式、不同偏振态、不同传播时延彼此交织；与此同时，只要光纤稍微压一下、弯一下，感受到外界的一点扰动，内部的“交通状况”就可能立刻变样。

也正因如此复杂的传播，多模光纤一直很有吸引力，也很难“读懂”。它的优势在于更大的纤芯、更简便的安装，以及支持模式复用。但问题在于，模式混合、偏振扰动、色散、干涉等复杂的作用机制会让光场的演化更难表征。而现行的测量方法中，很多手段只能看到单一偏振态，另一条正交偏振通道中发生了什么事情是难以“看见”的。

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近期，英国Heriot-Watt University团队给出了一个新办法；他们指出，利用时间分辨单光子雪崩二极管阵列（SPAD arrays），可以搭建出一套可以对多模光纤进行双偏振、时间分辨、模式分辨观测的平台。通过希尔伯特变换分析，该系统能够进行模式分辨的斯托克斯检索，每个像素的最小可检测调制为0.002（0.2%），信噪比高达33分贝。换句话说，这项工作开始把多模光纤内部复杂的偏振与模式动力学，真正变成一张可以被实时读取的“地图”。论文以Mode-resolved picosecond single-photon polarimetry maps modal dynamics in multimode fibers 为题，发表于Nature Communications。

这项工作的一个关键设计，是把光纤输出光先经过偏振分束器，再分别送到两块二维SPAD阵列上——一块记录垂直偏振分量，一块记录水平偏振分量。这样一来，原本容易被忽略的正交偏振通道，就能被同步读取，而不是像很多传统方法那样只能轮流测、间接推。

论文中，这两块SPAD阵列都采用32×32像素结构，每个像素都有独立的时间数字转换器，时间bin宽度为55 ps，动态范围约56 ns，可以进行二维单光子时间相关计数。

研究人员首先选用一段在852 nm下可支持少数模式传播的长光纤来做演示。结果显示，光在纤芯中传播后，不同模式会以不同时间抵达探测器，在时间轴上形成可区分的峰；而这两个偏振通道中的模式图样和能量分布，并不总是相同。也就是说，哪怕看的是同一根光纤、同一束入射光，两个正交偏振里的“路况”也可能并不相同。

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为了让这种变化更直观，研究人员专门做了两类实验：一类是非受控扰动，比如把光纤绕到小直径管上；另一类是受控扰动，用一个位置可调的细杆对光纤局部施加应力。

在不同弯折和受压条件下，LP_{01}和LP_{11}模的能量分布会发生明显变化，而且这种变化在两个偏振通道中是同步可见但并不相同的。更有意思的是，在受控扰动实验里，只要把细杆重新移回原来的位置，模式取向和分布又会大体恢复。这意味着，这套系统不仅能“看到”模式变化，还能捕捉到可逆、可控的模式重构。

以前大家知道弯折和应力会影响多模光纤，但往往缺少一种同时把“模式怎么变”和“偏振怎么变”都看清的工具。现在，这种工具出现了。如果说双SPAD阵列已经让多模光纤里的偏振动力学变得可见，那么后面的操作则更进一步：研究人员只额外加入了一片四分之一波片，就把系统升级成了一套全场、时间分辨、单光子级的斯托克斯偏振测量平台。论文显示，这套方法可以在大约1000个空间通道上重建斯托克斯向量，并通过Hilbert变换而不是传统整体拟合的方式，逐像素恢复偏振信息。

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对于少模光纤中的LP_{01}和LP_{11}模，作者甚至画出了对应的斯托克斯分布图和庞加莱球表示。结果表明，LP_{01}模的偏振场相对更均匀，而LP_{11}模则呈现出更明显的瓣间差异和空间结构。原本抽象的“偏振态演化”，在这里第一次有了相当直观的二维图像表达。

为了验证方法能否在真正复杂的多模环境里工作，团队还把系统扩展到一根1.2 km长的梯度折射率多模光纤上。这里的模式数量大大增加，输出光场已经呈现出复杂的散斑图样，偏振扰乱也更强。但即便如此，这套系统仍然能够以55 ps的时间分辨率，在沿着整个TCSPC信号的不同时间bin上逐段恢复Stokes参数，直接看到多模传播中的快速偏振起伏。

论文还给出了一组很有代表性的灵敏度指标：系统通过Hilbert变换实现的逐像素最小可检测调制可达0.002，也就是0.2%（3σ），信噪比最高可达33 dB。这意味着，它不仅“能看到”，而且对非常微弱的偏振调制也有相当不错的分辨能力。

这项工作像是给多模光纤内部复杂而隐蔽的传播过程，装上了一台速度足够快、灵敏度足够高、还能区分偏振方向的“高速摄像机”，使多模光纤中的超快斯托克斯偏振测量成为可能，为经典和量子光子学开辟了新道路。

论文链接：

Mode-resolved picosecond single-photon polarimetry maps modal dynamics in multimode fibers | Nature Communications

科学编辑 | 邹榆红

编辑 | 徐睿