微納光纖及其應(yīng)用探索

由地球表面的石英砂提純制成的石英玻璃光纖，自1960年代發(fā)明以來，由于傳輸損耗極低、結(jié)構(gòu)靈活、機械強度高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光通信、傳感、醫(yī)療、工業(yè)技術(shù)及科學(xué)研究等領(lǐng)域。作為傳輸光信號和能量的載體，常規(guī)光纖的直徑為125微米，和一根頭發(fā)粗細差不多，能夠自由彎曲，因此可以靈活應(yīng)用于線纜、鐵軌、管道、機翼、電路板、機箱等各種場合，而不需要增加額外的空間。然而，常規(guī)光纖雖然已經(jīng)很細，但是和光的波長（通常為1微米量級）相比仍然很大。根據(jù)經(jīng)典光學(xué)原理，光在介質(zhì)中的約束程度，最小可以達到衍射極限（即光在介質(zhì)中的波長的量級）。因此，光纖直徑還有大幅度減小的余地。另一方面，近年來納米技術(shù)的快速發(fā)展，對微納尺度上光的自由操控提出了越來越高的要求。比如，我們可以在一架飛機上安裝光纖來監(jiān)測飛行過程中的機翼形變，但是如果把飛機縮小到一只蜜蜂或微型飛行器的大小，標(biāo)準(zhǔn)光纖尺寸顯然太大，安裝后將使被測對象無法飛行。因此，如果能將光纖直徑大幅度減小，將有可能在微納尺度上起到與標(biāo)準(zhǔn)光纖類似的光傳輸、傳感等功能，拓展光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。而當(dāng)直徑降低到波長量級或衍射極限時，光纖將會顯示出不同于標(biāo)準(zhǔn)光纖的新穎傳輸特性，有希望開拓光纖技術(shù)新的研究和應(yīng)用前沿。

微納光纖制備與特性

2003年，我們與國外研究組合作，首次制作了直徑小于光波長、長度數(shù)十毫米的低損耗微納光纖[1]。這些光纖的直徑最小可達100納米量級，比頭發(fā)細100～1000倍，且導(dǎo)光性能好、可自由彎曲，引起了國內(nèi)外很多研究人員的興趣。

微納光纖通常使用火焰或電加熱、機械拉伸標(biāo)準(zhǔn)光纖制備而成，由于使用了計算機反饋控制，所拉制的微納光纖的直徑均勻度很高，直徑可以在幾百納米到幾微米之間選擇。

通常，標(biāo)準(zhǔn)光纖具有直徑為10微米左右的纖芯和125微米的包層結(jié)構(gòu)，纖芯折射率略高于包層，使得傳輸光可以在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，從而將光約束在光纖內(nèi)部向前傳輸。作為對比，微納光纖的直徑接近或小于光波長，光沿著其傳輸時很大一部分能量能夠以一種倏逝場的形式存在[2]，即光被約束在光纖表面附近空間傳輸，這一特性非常適用于微納尺度上的高效率光學(xué)近場耦合，以及傳輸光與表面物質(zhì)的相互作用。而且，由于微納光纖一般使用空氣、真空或水等低折射率介質(zhì)作為包層，包層和纖芯的折射率差很大，對傳輸光場約束能力強，盡管存在大比例倏逝場，在光纖橫截面上仍然可以把光場約束在接近光學(xué)衍射極限的波長尺度上。同時，通過選擇合適的光纖直徑、周圍環(huán)境折射率和傳輸光波長等參數(shù)，可以獲得表面場增強、大梯度倏逝場、大波導(dǎo)色散等標(biāo)準(zhǔn)光纖所不具備的特性，在光學(xué)近場耦合、傳感、原子/量子光學(xué)、非線性光學(xué)、光纖激光、光力操控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景 [3]。

高靈敏光學(xué)傳感器

微納光纖的強約束傳導(dǎo)模、特別是表面?zhèn)鬏數(shù)馁渴艌龅膹姸取⑾辔?、光譜等參數(shù)對周圍環(huán)境折射率的變化非常敏感，適合于高靈敏光學(xué)傳感應(yīng)用，因此，微納光纖傳感器一直是微納光纖技術(shù)中被研究和關(guān)注最多的方向之一。

目前，基于微小尺寸的微納光纖傳感結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于檢測濃度、溫度、濕度、形變、壓力、pH值、電流等一系列物理、化學(xué)、生物量的傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)尺寸小、能耗低等優(yōu)點[4]。比如，針對機器人控制、人機交互及醫(yī)療健康等領(lǐng)域?qū)ξ⑿〕叨?、高靈敏、可穿戴的傳感器的要求，以及“電子皮膚”式傳感器在一些應(yīng)用中存在易受電磁干擾、響應(yīng)速度受限等挑戰(zhàn)，研究者提出使用聚合物薄膜包埋微納光纖的方式，形成“光學(xué)皮膚”式微納光纖可穿戴傳感器[5]。利用微納光纖微彎及聚合物薄膜折射率變化引起的傳導(dǎo)模倏逝場能量變化，實現(xiàn)了超高靈敏度（達1870千帕-1）、超低檢測下限（低至7毫帕）、快響應(yīng)（響應(yīng)時間小于10微秒）、抗電磁干擾的光學(xué)傳感器，用于觸覺、脈搏、呼吸、語音、關(guān)節(jié)動作等的高靈敏測量，為生理指標(biāo)監(jiān)測、機械手遠程操控、新型觸覺感知等提供了新途徑。

在此基礎(chǔ)上，將包埋在聚合物薄膜中的微納光纖進行預(yù)彎曲以增加可拉伸長度及測量范圍，就可實現(xiàn)該傳感器對手臂運動、拉伸、溫度等的高靈敏檢測[6]。比如，基于聚合物材料的熱光效應(yīng)（即折射率隨溫度變化的效應(yīng)）研制的“光學(xué)皮膚”溫度傳感器，在35～41℃的典型體溫范圍內(nèi)，溫度測量分辨率達到0.01℃。該類傳感器還可以進一步拓展用于血壓、組織硬度、風(fēng)速氣流等的高靈敏度監(jiān)測，有希望為組織觸診、手術(shù)機器人和物體識別中的硬度傳感等提供光學(xué)解決方案。

冷原子操控

根據(jù)原子躍遷波長選擇合適的光纖直徑，微納光纖可以在其表面附近空間形成強倏逝場及光學(xué)梯度力，用于操控表面附近的冷原子[即處于極低溫下（接近絕對零度）的原子]或納米顆粒，實現(xiàn)原子囚禁或定向輸運[7]。相比于其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，微納光纖原子操控方案具有勢阱深度大、與標(biāo)準(zhǔn)光纖兼容、表面開放、使用靈活等優(yōu)點。比如，2004年理論上證明了將藍、紅失諧的兩束光同時沿著一根微納光纖傳輸，利用兩束光的倏逝場形成的光學(xué)勢阱，對冷原子實現(xiàn)靈活操控[8]，勢阱深度可達毫開量級。2012年研究者使用該方案在實驗上實現(xiàn)了對銫原子的捕獲[9]，證實了該方案的可行性。

微納光纖的小直徑和大折射率差，可以顯著改變其表面微小空間中的光子態(tài)密度，用于研究和操控原子的輻射、吸收與散射等特性。同時，在微納光纖表面制作布拉格光柵等結(jié)構(gòu)，形成微小的光學(xué)諧振腔，其表面附近區(qū)域的原子或固態(tài)納米輻射體（比如量子點）發(fā)出的熒光，就可以被高效耦合進入微納光纖，成為傳導(dǎo)模輸出，為原子發(fā)光/吸收特性研究、光纖量子光學(xué)器件等應(yīng)用提供了新的途徑[7]。隨著國內(nèi)外越來越多的研究組采用上述冷原子操控方案，微納光纖已經(jīng)逐漸成為冷原子物理研究的重要平臺之一。

超快光調(diào)制

超快光調(diào)制是光開關(guān)、鎖模激光器、精密光學(xué)測量等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。要獲得超快（比如時間響應(yīng)達到皮秒或更快量級）調(diào)控能力，大多數(shù)情況下必須依賴光學(xué)非線性效應(yīng)。與標(biāo)準(zhǔn)光纖相比，微納光纖的波長級模場約束能力，可以大大提高等效非線性系數(shù)以及傳輸光場與表面物質(zhì)的相互作用強度，減小所需的光纖長度，降低獲得同等非線性效應(yīng)所需的光功率，因此，在光纖兼容的小尺寸、低功率、超快光調(diào)制方面具有顯著優(yōu)勢。

2014年，研究者將20微米長度的雙層石墨烯轉(zhuǎn)移到1.4微米直徑的微納光纖表面，獲得高非線性“石墨烯—微納光纖”復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]，基于調(diào)制光脈沖與微納光纖表面石墨烯相互作用產(chǎn)生的飽和吸收效應(yīng)，實現(xiàn)光通信波段響應(yīng)時間約為2皮秒、調(diào)制能量約為1皮焦耳/脈沖的全光纖超快全光調(diào)制器，在調(diào)制速度、插入損耗等方面優(yōu)勢顯著。目前，該類微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于超快光調(diào)制、材料特性研究及光學(xué)傳感等方面。

同時，根據(jù)傳輸光波長選擇合適的微納光纖直徑，可以獲得很大的波導(dǎo)色散（絕對值比標(biāo)準(zhǔn)光纖大兩個數(shù)量級）[2]，為鎖模光纖激光腔提供光程短、插入損耗低、色散補償范圍大的色散補償方案，在較短的光纖激光腔內(nèi)獲得高重頻（100兆赫茲量級）、短脈寬（100飛秒量級）的超快激光脈沖輸出[11]。

已有研究結(jié)果表明，作為一種損耗低、模場截面小、色散可調(diào)幅度大、靈活度高、光纖兼容的微納光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，微納光纖在超快光信號處理、光纖激光器及非線性頻率轉(zhuǎn)換等方面具有良好的應(yīng)用前景。

新材料探索

除了上述技術(shù)和應(yīng)用之外，微納光纖由于尺寸小、結(jié)構(gòu)均勻、表面粗糙度低所帶來的光傳輸損耗低、機械強度高等優(yōu)勢，還可以啟發(fā)及促進我們對全新光纖材料的探索與研究。比如，我們能否把像玻璃一樣透明的冰做成光纖呢？常識告訴我們，冰是一種易碎的脆性物質(zhì)，無法像玻璃光纖一樣靈活彎曲。但是，如果把冰做成微納尺度的光纖呢？帶著這個疑問，近年來，我們經(jīng)過大量探索，在電場誘導(dǎo)冰晶生長方法中找到了合適的生長條件，在更低的溫度（-50℃）、更低的水飽和蒸汽壓（約4帕）環(huán)境下成功生長出近乎理想質(zhì)量的冰單晶微納光纖。這種冰光纖不僅能夠大幅度彈性彎曲，而且其彈性應(yīng)變（﹥10%）和強度（﹥1吉帕）實驗值均可接近理論極限[12]，大大拓展了我們對冰的認知邊界。同時，做成微納光纖的冰純度高、直徑均勻、表面粗糙度很低（約0.2納米），可以像玻璃微納光纖一樣實現(xiàn)低損耗光傳輸。進一步通過測量低溫原位顯微拉曼光譜，在彈性彎曲冰微納光纖中發(fā)現(xiàn)冰的彎曲誘導(dǎo)相變新現(xiàn)象，為冰的相變動力學(xué)等冰物理研究提供了新的實驗方法。由于冰是宇宙中最普遍的固態(tài)物質(zhì)之一，理想冰單晶在紫外及可見光波段的本征吸收損耗遠低于石英玻璃等光學(xué)材料，而且生物兼容、低溫穩(wěn)定，冰單晶微納光纖不僅改變了人們對冰的常識性認識，還有可能為未來光信息技術(shù)、生命科學(xué)、宇宙探索等提供新方法、新技術(shù)。

總結(jié)與展望

從2003年我們首次實現(xiàn)亞波長直徑微納光纖的低損耗光傳輸以來，國內(nèi)外很多研究組對微納光纖及其相關(guān)技術(shù)開展了大量研究，在上述微納光纖傳感器、冷原子操控、超快光調(diào)制及新材料探索等方面取得了系列重要進展，其中微納光纖傳感器已經(jīng)接近實用水平，微納光纖冷原子操控已經(jīng)成為冷原子物理研究的重要技術(shù)方案。另外，除了上述方面，近年來，微納光纖在光力操控、納米表面等離激元光學(xué)、片上波導(dǎo)光纖耦合等方面也取得了較為突出的進展。

展望未來，微納光纖所提供的微納尺度上的強約束、強倏逝場、開放式導(dǎo)波光場，可以與冷原子、分子、聲子、極化激元等信息或能量載體有效耦合，將使微納光纖不僅可以作為光子波導(dǎo)，還可以同時作為傳輸及操控上述其他粒子或準(zhǔn)粒子的波導(dǎo)，為微納光子學(xué)及器件技術(shù)開辟新的方向、提供新的可能。

[本文相關(guān)內(nèi)容由國家重點研發(fā)計劃（2018YFB2200 400）、國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項目（11527901）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助。]

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關(guān)鍵詞：微納光纖 低損耗 倏逝波 近場耦合 光學(xué)傳感 ■