随着数字信息快速增长，传统二维码、荧光油墨和静态全息标签逐渐面临信息容量有限、易复制以及安全密钥单一等问题。相比之下，光子信息平台能够利用光的颜色、强度、偏振、相位、空间分布和时间响应等多个自由度，在同一材料或器件中实现高密度信息编码。近日，韩国延世大学Cheolmin Park院士团队在《ACS Nano》发表综述文章，系统总结了用于信息存储与安全的交互式多模态纳米光子平台。该综述从光子编码原理、刺激响应机制、材料与器件设计、加密方式、应用场景及未来发展等方面，构建了较为完整的研究框架。

  相关研究以Interactive Nanophotonic Platforms for Multimodal Information Storage and Security为题发表在ACS Nano上。文章第一作者为HoYeon Kim(现为KIST博后研究员), Jioh Yoo文章通讯作者为Cheolmin Park。

从单一光学信号到多维信息编码

  传统光学标签通常只依赖一种颜色或图案，而多模态光子平台可同时利用空间图案、波长、光强、偏振、波前相位和发光寿命等多个信息通道。例如，不同波长可显示不同图像，特定偏振或入射角可以作为解密密钥，荧光与磷光寿命差异则可用于时间门控读取。通过将多个彼此独立的光学维度集成在同一平台中，可以显著提高信息容量和复制难度。与此同时，光、电、热、磁、机械力及化学环境均可作为外部刺激，使隐藏信息仅在特定条件或刺激顺序下显现（图1-2）。

图1.外部刺激、多模态光子响应及加密信息输出的整体框架。

图2. 波长、强度、空间图案、偏振、波前和时间等光子信息编码方式。

多模态光子平台的设计策略

  该综述将多模态平台的设计策略归纳为四类：一是将荧光、磷光、电致发光、结构色和全息响应进行平行或级联耦合；二是集成分别响应温度、湿度、压力、电场或化学物质的功能材料；三是利用多层结构、三维几何或空间重叠实现维度复用；四是利用发光寿命、延迟响应和刺激顺序实现时间复用。在器件结构方面，薄膜、纤维、超表面及多层堆叠结构分别适用于柔性标签、可穿戴器件、高密度全息编码和多级光学加密。自组装、光刻、纳米压印及印刷等制备方法则为不同精度和规模的器件制造提供了技术基础（图3）。

图3.多模态光子平台中的发光路径耦合、刺激特异性集成及空间—时间复用策略。

从防伪标签到光学神经形态存储

  在加密机制方面，文章重点讨论了静态与动态加密、刺激响应解锁、时间域编码以及逻辑门式多步骤解密（图4）。与传统“单一紫外光显色”不同，先进光子加密系统通常需要正确的波长、偏振、角度、温度或刺激顺序才能获得真实信息。材料内部随机形成的微纳结构还可作为物理不可克隆函数，为每个标签提供独一无二的光学指纹。这些技术已逐步应用于防伪标签、光学身份认证、可穿戴加密显示、安全二维码及光学存储器。进一步地，具有多级光学状态的忆阻器和光子存储单元还可同时承担信息存储、神经形态计算及硬件安全功能（图5）。

图4. 静态/动态加密、时间门控、逻辑解锁及多步骤安全机制。

图5. 光子防伪、可穿戴加密显示、安全二维码和神经形态光学存储应用。

挑战与展望

  尽管多模态光子平台具有高信息密度和多密钥安全优势，其实际应用仍面临发光亮度与长期稳定性之间的权衡、多功能集成导致的分辨率下降、复杂器件的大面积制造以及与现有电子读取系统兼容等问题。未来，人工智能辅助逆向设计有望优化复杂纳米结构和多通道光学响应；量子光源可进一步提高信息传输与认证安全性；基于三个空间维度以及两个光学维度的五维光存储，则为超高密度、长期稳定的信息保存提供了新的发展方向（图6）。

图6. 总结了当前领域面临的挑战（如平衡光学亮度与长期稳定性、光学分辨率与制造复杂性）以及未来的发展机遇（如AI辅助设计、量子编码和5D光数据存储）。

  该工作得到了韩国科学技术信息通信部 (MSIT) 和教育科学技术部 (MEST) 资助的韩国国家自然科学基金 (NRF)的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c21692