亚纳秒级全光可重构光纤光子学：多模与多芯光纤中的动态光控新范式

研究人员针对下一代高效光子系统中动态光控的挑战，提出了一种基于多模/多芯光纤的反向传播探针-控制光束(BCB)全光平台。通过低功率探针与高功率BCB的非线性相互作用，实现了亚纳秒级可调谐模式转换、功率分配和核心间切换，并建立了适用于任意N模/芯的理论模型。该研究为光计算和机器学习的光子可编程硬件奠定了基础，成果发表于《Nature Communications》。

　　

在光通信与光子计算领域，动态调控光信号传播路径一直是核心挑战。传统电光或热光调制器存在速度限制和能耗问题，而现有全光方案受限于相位匹配条件，仅能实现部分模式调控。多模光纤(MMF)和多芯光纤(MCF)虽为空间复用提供了新维度，但其非线性动力学机制尚未充分挖掘。

英国南安普顿大学(University of Southampton)的Kunhao Ji、David J. Richardson团队与意大利布雷西亚大学的Stefan Wabnitz合作，在《Nature Communications》发表研究，通过创新性设计反向传播的弱探针与强控制光束(BCB)系统，首次实现了光纤中全模态的亚纳秒级可重构光子学。该方案利用所有探针-BCB四波混频(FWM)相互作用的同步相位匹配特性，突破了传统共传播系统仅能调控两个模式的局限。

关键技术方法包括：(1)构建脉冲式BCB(峰值功率30 kW)与弱探针的反向传播实验系统；(2)采用空间光调制器精确控制BCB模态分布；(3)开发基于随机并行梯度下降算法的模态分解技术(精度±3%)；(4)建立适用于任意N模/芯的耦合非线性薛定谔方程(CNLSEs)理论框架。

探针-控制光束相互作用机制
通过推导线性化系统方程，研究人员发现BCB功率可完全调控重构矩阵M，实现探针输出状态的按需配置。在双模光纤中，理论预测与实验数据高度吻合，如当BCB峰值功率达8 kW时，探针可实现100%模式转换（图3d）。

可调谐模式操控
在支持3模的PMHN1光纤中，仅需1 kW BCB功率即可将探针能量集中到LP₁₁或LP₀₁模式（图4c-d）。六模PM2000光纤中则观察到LP₀₂→LP_21e的完全能量转移（图4e），证实方案对高阶模式的普适性。

核心间动态控制
双芯光纤(DCF)实验显示，BCB功率从0增至9 kW时，探针输出可实现100:0到50:50的连续功率分配（图5a）。通过优化BCB模态，还能实现92%的功率组合效率（图5b）和亚纳秒级核心切换（图5e），其速度仅受限于BCB脉宽（模拟显示可达皮秒级）。

远程探针表征应用
创新性地利用BCB响应反推输入探针相对相位Δφ_in,12（图7），在双模光纤中相位检测精度达0.06 rad，为不可接触场景的光纤参数监测提供了新思路。

该研究通过理论建模与实验验证，确立了全光可重构光子学的新范式。其重要意义在于：(1)首次在单一平台集成模式转换、功率分配等关键功能；(2)亚纳秒级操作速度较传统电光器件快6个数量级；(3)理论模型支持扩展到任意N模/芯系统，为光子神经网络等应用铺平道路。研究团队指出，采用高非线性材料可将工作功率降至毫瓦级，这将推动新一代可编程光子芯片的开发。这项突破性工作不仅解决了动态光控的底层技术瓶颈，更为未来智能光网络和光学计算机提供了基础构建模块。