近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）何祖源教授、樊昕昱教授、万阳阳助理教授团队提出一种基于谐振泄漏模随机介质的新型计算光谱偏振测量方法，建立了计算光学测量系统的统一理论模型，并研制出兼具超高分辨率、宽测量带宽和微型化特点的计算光谱偏振仪。相关成果以“Resonant microtaper leaky-mode computational spectropolarimetry with tens of femtometers spectral resolution and full Stokes measurement”为题发表于《Nature Communications》（自然-通讯）期刊上。
研究背景
光谱和偏振是光场最重要的两个维度信息。光谱能够反映物质的组成成分、化学反应过程及运动状态，偏振则能够揭示物体表面纹理、分子手性、生物组织结构等丰富信息。能够同时获取光谱与偏振信息的光谱偏振测量技术，在遥感探测、生物医学、光通信、工业检测以及天文观测等领域具有重要应用价值。传统光谱偏振仪通常依赖光栅、棱镜、扫描器件以及复杂的偏振分析模块，系统体积大、结构复杂，难以满足未来光学仪器对微型化、集成化和高性能的需求。近年来兴起的计算光谱仪和计算偏振仪利用随机介质产生具有唯一性的散斑信息，通过计算重建实现光场测量，为微型化光学测量提供了新的解决方案。然而，当前计算测量技术仍面临两个关键挑战。一方面，不同随机介质所构建的计算测量系统性能差异较大，长期以来缺乏统一的理论框架来解释决定系统分辨率的本质因素，也难以指导新型随机介质结构的设计优化。另一方面，现有计算光谱偏振测量技术仍难以同时兼顾超高光谱分辨率、宽测量带宽、全偏振测量能力以及微型化尺寸，高性能与小尺寸之间始终存在明显制约。
因此，如何建立统一理论指导随机介质设计，并突破传统分辨率、带宽与尺寸之间的权衡关系，是计算光学测量领域的重要科学问题。
研究内容
图1 谐振泄漏模光谱偏振仪的原理：（a）RLM光谱偏振仪示意图，（b）不同波长和偏振态下的散斑图案示例
针对上述问题，研究团队首先建立了适用于计算光谱仪、计算偏振仪等随机介质计算测量系统的统一理论模型。研究发现，无论随机介质来源于多模传输、多次散射还是多重反射，其测量能力最终均由随机介质内部能够形成的最大光程差（Optical Path Difference, OPD）决定。理论证明，系统可分辨的最小光谱变化与随机介质允许形成的最大光程差成反比，从而揭示了计算测量系统分辨率的统一物理机制，为不同计算测量方案提供了统一评价标准，也为随机介质优化设计建立了明确理论依据。
在理论指导下，团队提出了一种全新的谐振泄漏模（Resonant Leaky Mode，RLM）计算光谱偏振仪。研究采用锥形无芯光纤替代传统多模光纤作为随机介质，使光场能够激发数量更多、传播常数差异更大的泄漏模，大幅提高系统可形成的光程差。同时，引入高品质因子微球耳语廊模式（Whispering Gallery Mode，WGM）微腔，与高阶泄漏模发生复杂谐振耦合，进一步延长光传播路径，在极小器件尺寸内显著增强随机介质的有效光程差。这种新型随机介质能够产生更加复杂且对波长、偏振变化更加敏感的散斑响应，再结合计算重建算法，实现入射光谱与全Stokes偏振信息的同步重建。相比传统方案，该方法不仅显著提升了测量灵敏度，也有效突破了高分辨率、宽带宽和小尺寸难以兼顾的技术瓶颈。
图2 光谱测量结果：（a）使用回音壁微球谐振器前后的波长相关曲线，（b）稀疏光谱重建结果，（c）双波长重建光谱，（d）宽带光源光谱重建结果，（e）不同光功率下宽带光源光谱重建结果
图3 偏振测量结果和光谱偏振测量：（a）偏振分辨率测量结果，（b）偏振状态测量结果，（c-e）偏振测量误差的分布，（f）光谱偏振同时测量结果
图4 在光谱测量方面的性能比较
实验结果表明，引入WGM微球谐振后，系统光谱分辨率由原来的1.5 pm提升至20 fm，提高约75倍，实现了目前计算光谱偏振测量领域领先的超高光谱分辨率。在150 nm测量带宽内，系统能够准确重建窄带光源和宽带光源光谱，同时保持较高测量精度，并具备低光功率探测能力。在偏振测量方面，该系统实现了全Stokes偏振信息重建，整体均方误差仅为4.732×10⁻⁶，偏振测量精度达到当前国际先进水平。实验同时验证了系统能够同步完成光谱和偏振信息测量，实现真正意义上的多维光场测量。得益于理论提出的随机介质优化策略，研究团队不仅获得了7.5×10⁶的带宽/分辨率比，还实现了仅5 nm·μm²的分辨率—尺寸乘积（Resolution-Footprint Product），创造了目前该指标的国际最好水平。这表明所提出的方法有效突破了传统光谱测量中分辨率、带宽与尺寸之间的权衡关系，为高性能微型光谱偏振仪的发展提供了新的技术路线。
论文作者信息
上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）万阳阳助理教授担任第一作者及通讯作者，博士生周千羽为共同第一作者，樊昕昱长聘教授为共同通讯作者，共同作者有上海交大集成电路学院何祖源教授、马麟研究员。
万阳阳，集成电路学院（信息与电子工程学院）助理教授，主要研究方向为端侧智算光纤传感。主持国自然青年基金、博士后特别资助，国自然重点项目子课题负责人。以第一作者/通讯作者身份在Light: Science & Applications、Nature Communications、Advanced Photonics、Laser & Photonics Reviews等期刊发表10余篇。入选国家资助博士后研究人员计划、上海市“超级博士后”激励计划。
樊昕昱，集成电路学院（信息与电子工程学院）长聘教授，国家级高层次青年人才。目前主要研究方向为光纤传感及光精密测量技术。共发表学术论文200余篇，在国际会议上做主旨报告及特邀报告30余次。主持及参与国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目、上海市浦江人才计划、上海市科技创新行动计划高新技术领域项目等20余项。担任JLT/OE/COL等六本SCI期刊的编委/编辑、中国光学工程学会理事、光纤传感技术专委会副秘书长及常务理事、中国光学工程学会团体标准化技术委员会委员、光纤传感领域顶级国际会议OFS-28技术程序委员会共主席。曾获教育部技术发明一等奖(2021)，以及中国电子教育学会优博指导教师奖(2020)。
何祖源，集成电路学院（信息与电子工程学院）讲席教授，国家级高层次人才，光子传输与通信全国重点实验室主任。长期从事光纤传感、特种光纤与光互连领域的科学研究和产业技术开发，承担了国家自然科学基金重大科学仪器研制专项、国家重点研发计划项目等重要科研项目；在光电子学领域顶级国际期刊和学术会议上发表论文和学术报告500余篇，其中邀请论文和邀请报告数十篇。获授权日、美、英等国专利20余项，中国发明专利20余项。
