01导读

近日，上海理工大学光电信息与计算机工程学院詹其文教授课题组提出了一种新颖的光谱-空间相关型主模式 (Spectral-Spatially correlated principal modes，即S²主模式)，可同时在光谱和空间维度上定制多模光纤的输出光场。S²主模式不仅可以显著提高输出光场的光谱相关性，也能将输出光场聚焦在指定区域内。值得一提的是，S²主模式还可以被用来对多模光纤中传输的光信息进行物理层加密，并与现有的数字加密技术相兼容。

该工作发表以"Generation and applications of spectral-spatially correlated principal mode in multimode fibers"为题目在线发表于美国光学学会刊物Optica。论文第一作者为博士生高涵，通信作者为胡海峰教授和詹其文教授。

02研究背景

多模光纤是一种复杂而通用的系统，在光通信、成像、传感和高功率激光器等多个领域内都发挥着关键作用；其中，它支持多个横向模式的能力既是一个关键特征，也是一个重大的挑战。相较于仅支持单一模式的单模光纤，多模光纤显著提高了信息传输能力；此外，多模光纤的结构特性也确保光纤激光器和放大器在高功率水平下能够正常工作。但由于模态色散以及不可避免的模式耦合，光信号在通过多模光纤传播后会产生严重的时空畸变。

补偿这些畸变的一种有效方法是引入Wigner-Smith时延算子的本征态，也称为“主模式”。主模式可以补偿模态色散，从而抑制光脉冲通过多模光纤产生的时域展宽。虽然主模式的概念具有普适性，可扩展到入射光频率之外的其他参数，但关于该领域的研究仍相对有限。目前的研究主要集中在生成Wigner-Smith算子的本征态，而并未涉及调整其空间分布，这一限制可能会妨碍主模式的应用。

03研究创新点

光谱-空间相关型主模式的生成方案如图1所示，首先，在多模光纤输出场中指定区域。然后，利用奇异值分解法和模式分解技术，基于指定区域内的部分输出场来构建多光谱传输矩阵，进而计算Wigner-Smith算子及其本征态，即S²主模式。

图1 S²主模式的生成方案示意图

本研究通过改变入射光频率来验证S²主模式的光谱特性和空间特性。图2(a)的第一行和第二行分别展示了S²主模式和未调制波前在三个不同频率下的输出光场分布。可以发现，S²主模式不仅可以对输出场的空间分布进行操纵，而且表现出较慢的频谱去相关特性。未调制波前的相关频谱宽度为120 GHz，而S²主模式的频谱相关宽度为440 GHz，约为未调制波前的3.7倍。

图2 (a) S²主模式 (第一行) 和未调制波前 (第二行) 的光场场强度分布。输入频率为ω–ω₀ = -250 GHz(左)、0 GHz(中)和250 GHz(右)。(b) 未调制波前和S²主模式的光谱相关函数。

S²主模式能够对多模光纤输出场进行多维定制，可用来对光纤中传输的信息进行物理层加密。在基于S²主模式的光纤加密通信系统中，通信方仅能从指定区域内获取有用的信息，有效防止光信息通过多模光纤传输之后发生全局扩散。在实际应用中，可以将S²主模式与现有的数字加密技术相结合，以进一步提高加密系统的可靠性。

图3 (a) 基于S²主模式的光纤加密通信系统。(b) 加密通信实验结果。

04总结与展望

多模光纤中的S²主模式可以在抑制模态色散的同时将输出场聚焦在指定区域内，并为光信息的传输提供了一种物理层加密手段，有望在光通信、成像和传感领域中取得应用。未来可以将其扩展到其他多模波导或线性传播系统中，为在复杂介质中探索更多新颖的光学模态提供新思路。该研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金项目的支持。

链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.510202