微纳光纤及其应用探索_童利民.pdf

由地球表面的石英砂提纯制成的石英玻璃光纤，自 1960 年代发明以来，由于传输损耗极低、结构灵活、机械强度高、物理化学性质稳定，已经被广泛应用于光通信、传感、医疗、工业技术及科学研究等领域。作为传输光信号和能量的载体，常规光纤的直径为 125 微米，和一根头发粗细差不多，能够自由弯曲，因此可以灵活应用于线缆、铁轨、管道、机翼、电路板、机箱等各种场合，而不需要增加额外的空间。然而，常规光纤虽然已经很细，但是和光的波长（通常为 1 微米量级）相比仍然很大。根据经典光学原理，光在介质中的约束程度，最小可以达到衍射极限（即光在介质中的波长的量级）。因此，光纤直径还有大幅度减小的余地。另一方面，近年来纳米技术的快速发展，对微纳尺度上光的自由操控提出了越来越高的要求。比如，我们可以在一架飞机上安装光纤来监测飞行过程中的机翼形变，但是如果把飞机缩小到一只蜜蜂或微型飞行器的大小，标准光纤尺寸显然太大，安装后将使被测对象无法飞行。因此，如果能将光纤直径大幅度减小，将有可能在微纳尺度上起到与标准光纤类似的光传输、传感等功能，拓展光纤技术的应用范围。而当直径降低到波长量级或衍射极限时，光纤将会显示出不同于标准光纤的新颖传输特性，有希望开拓光纤技术新的研究和应用前沿。微纳光纤制备与特性2003 年，我们与国外研究组合作，首次制作了直径小于光波长、长度数十毫米的低损耗微纳光纤1。这些光纤的直径最小可达 100 纳米量级，比头发细1001000 倍，且导光性能好、可自由弯曲，引起了国内外很多研究人员的兴趣。微纳光纤通常使用火焰或电加热、机械拉伸标准光纤制备而成，由于使用了计算机反馈控制，所拉制的微纳光纤的直径均匀度很高，直径可以在几百纳米到几微米之间选择。通常，标准光纤具有直径为 10 微米左右的纤芯和125 微米的包层结构，纤芯折射率略高于包层，使得传童利民：教授，浙江大学光电科学与工程学院，现代光学仪器国家重点实验室，杭州310027。Tong Limin:Professor,College of Optical Science and Engineering,State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation,Zhejiang University,Hangzhou 310027.微纳光纤及其应用探索 童利民微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的光纤，具有直径均匀、表面光滑、传输损耗低、机械强度高、光场约束强、倏逝场比例高等优点，在光学近场耦合、传感、原子光学、非线性光学、光力操控及新材料探索等领域具有重要的应用前景。微纳光纤及其特性 (a)一根直径 500 纳米的微纳光纤绕着一根头发传输红色激光；(b)直径分别为 760 纳米和 480 纳米的两根弯曲微纳光纤的电镜照片1；(c)微纳光纤传输中表面附近空间的倏逝场强度的典型分布。(a)(b)(c)前 沿F R O N T I E R17WeChat:kexuemag输光可以在纤芯和包层的界面上发生全反射，从而将光约束在光纤内部向前传输。作为对比，微纳光纤的直径接近或小于光波长，光沿着其传输时很大一部分能量能够以一种倏逝场的形式存在2，即光被约束在光纤表面附近空间传输，这一特性非常适用于微纳尺度上的高效率光学近场耦合，以及传输光与表面物质的相互作用。而且，由于微纳光纤一般使用空气、真空或水等低折射率介质作为包层，包层和纤芯的折射率差很大，对传输光场约束能力强，尽管存在大比例倏逝场，在光纤横截面上仍然可以把光场约束在接近光学衍射极限的波长尺度上。同时，通过选择合适的光纤直径、周围环境折射率和传输光波长等参数，可以获得表面场增强、大梯度倏逝场、大波导色散等标准光纤所不具备的特性，在光学近场耦合、传感、原子/量子光学、非线性光学、光纤激光、光力操控等领域具有重要的应用前景 3。高灵敏光学传感器微纳光纤的强约束传导模、特别是表面传输的倏逝场的强度、相位、光谱等参数对周围环境折射率的变化非常敏感，适合于高灵敏光学传感应用，因此，微纳光纤传感器一直是微纳光纤技术中被研究和关注最多的方向之一。目前，基于微小尺寸的微纳光纤传感结构已经应用于检测浓度、温度、湿度、形变、压力、pH 值、电流等一系列物理、化学、生物量的传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构尺寸小、能耗低等优点4。比如，针对机器人控制、人机交互及医疗健康等领域对微小尺度、高灵敏、可穿戴的传感器的要求，以及“电子皮肤”式传感器在一些应用中存在易受电磁干扰、响应速度受限等挑战，研究者提出使用聚合物薄膜包埋微纳光纤的方式，形成“光学皮肤”式微纳光纤可穿戴传感器5。利用微纳光纤微弯及聚合物薄膜折射率变化引起的传导模倏逝场能量变化，实现了超高灵敏度（达 1870 千帕-1）、超低检测下限（低至 7 毫帕）、快响应（响应时间小于 10 微秒）、抗电磁干扰的光学传感器，用于触觉、脉搏、呼吸、语音、关节动作等的高灵敏测量，为生理指标监测、机械手远程操控、新型触觉感知等提供了新途径。在此基础上，将包埋在聚合物薄膜中的微纳光纤进行预弯曲以增加可拉伸长度及测量范围，就可实现该微纳光纤典型光学特性及相关应用方向3可调的光子态密度可响应光动量变化小弯曲半径强近场耦合直径光波长高折射率差大光场梯度可调的群速度200 微米小模场面积低阈值非线性效应低功耗器件缩小互连长度小尺寸集成光路/器件调控自发辐射几率远场耦合量子态高灵敏度光传感高效率倏逝波耦合操控微纳颗粒原子囚禁和原子波导调控波导色散调控光脉冲传输光动量效应光声高效耦合强光场约束强倏逝场微纳光纤小质量“光学皮肤”式多功能微纳光纤可穿戴传感器4 (a)实物照片；(b)二维传感器示意图。(a)(b)2.1 帕1.3 帕0.2 帕0.1 帕SCIENCE182023 年 3 月|75 卷 2 期传感器对手臂运动、拉伸、温度等的高灵敏检测6。比如，基于聚合物材料的热光效应（即折射率随温度变化的效应）研制的“光学皮肤”温度传感器，在 3541的典型体温范围内，温度测量分辨率达到 0.01。该类传感器还可以进一步拓展用于血压、组织硬度、风速气流等的高灵敏度监测，有希望为组织触诊、手术机器人和物体识别中的硬度传感等提供光学解决方案。冷原子 操控根据原子跃迁波长选择合适的光纤直径，微纳光纤可以在其表面附近空间形成强倏逝场及光学梯度力，用于操控表面附近的冷原子 即处于极低温下（接近绝对零度）的原子 或纳米颗粒，实现原子囚禁或定向输运7。相比于其他波导结构，微纳光纤原子操控方案具有势阱深度大、与标准光纤兼容、表面开放、使用灵活等优点。比如，2004 年理论上证明了将蓝、红失谐的两束光同时沿着一根微纳光纤传输，利用两束光的倏逝场形成的光学势阱，对冷原子实现灵活操控8，势阱深度可达毫开量级。2012 年研究者使用该方案在实验上实现了对铯原子的捕获9，证实了该方案的可行性。微纳光纤的小直径和大折射率差，可以显著改变其表面微小空间中的光子态密度，用于研究和操控原子的辐射、吸收与散射等特性。同时，在微纳光纤表面制作布拉格光栅等结构，形成微小的光学谐振腔，其表面附近区域的原子或固态纳米辐射体（比如量子点）发出的荧光，就可以被高效耦合进入微纳光纤，成为传导模输出，为原子发光/吸收特性研究、光纤量子光学器件等应用提供了新的途径7。随着国内外越来越多的研究组采用上述冷原子操控方案，微纳光纤已经逐渐成为冷原子物理研究的重要平台之一。超快光调 制超快光调制是光开关、锁模激光器、精密光学测量等领域的关键技术。要获得超快（比如时间响应达到皮秒或更快量级）调控能力，大多数情况下必须依赖光学非线性效应。与标准光纤相比，微纳光纤的波长级模场约束能力，可以大大提高等效非线性系数以及传输光场与表面物质的相互作用强度，减小所需的光纤长度，降低获得同等非线性效应所需的光功率，因此，在光纤兼容的小尺寸、低功率、超快光调制方面具有显著优势。2014 年，研究者将 20 微米长度的双层石墨烯转移到 1.4 微米直径的微纳光纤表面，获得高非线性“石墨烯微纳光纤”复合结构10，基于调制光脉冲与微纳光纤表面石墨烯相互作用产生的饱和吸收效应，实现光通信波段响应时间约为 2 皮秒、调制能量约为 1 皮焦耳/脉冲的全光纤超快全光调制器，在调制速度、插入损耗等方面优势显著。目前，该类微纳光纤复合结构已经被基于微纳光纤的双色法冷原子操控方案8 (a)工作原理示意，基于光子和原子体系的动量守恒及光学多普勒效应，图中红、蓝失谐光分别对原子提供向内的拉力（F红）和向外的推力（F蓝），使原子处于稳定的平衡位置；(b)红失谐光势阱深度与红失谐光功率关系的计算结果，可以看到，光功率（P）越强，势阱越深。被囚禁的原子半径（微米）势阱深度（毫开）F蓝F红光纤(a)(b)200.40.81.21.6P1=25 毫瓦P1=30 毫瓦P1=35 毫瓦2-4-20前 沿F R O N T I E R19WeChat:kexuemag广泛应用于超快光调制、材料特性研究及光学传感等方面。同时，根据传输光波长选择合适的微纳光纤直径，可以获得很大的波导色散（绝对值比标准光纤大两个数量级）2，为锁模光纤激光腔提供光程短、插入损耗低、色散补偿范围大的色散补偿方案，在较短的光纤激光腔内获得高重频（100 兆赫兹量级）、短脉宽（100飞秒量级）的超快激光脉冲输出11。已有研究结果表明，作为一种损耗低、模场截面小、色散可调幅度大、灵活度高、光纤兼容的微纳光波导结构，微纳光纤在超快光信号处理、光纤激光器及非线性频率转换等方面具有良好的应用前景。新材料 探索除了上述技术和应用之外，微纳光纤由于尺寸小、结构均匀、表面粗糙度低所带来的光传输 损 耗 低、机 械 强 度高 等 优 势，还 可 以 启发及促进我们对全新光纤材料的探索与研究。比如，我们能否把像玻璃一样透明的冰做成光纤呢？常识告诉我们，冰是一种易碎的脆性物质，无法像玻璃光纤一样灵活弯曲。但是，如果把冰做成微纳尺度的光纤呢？带着这个疑问，近年来，我们经过大量探索，在电场诱导冰晶生长方法中找到了合适的生长条件，在更低的温度（-50）、更低的水饱和蒸汽压（约 4 帕）环境下成功生长出近乎理想质量的冰单晶微纳光纤。这种冰光纤不仅能够大幅度弹性弯曲，而且其弹性应变（10%）和强度（1 吉帕）实验值均可接近理论极限12，大大拓展了我们对冰的认知边界。同时，做成微纳光纤的冰纯度高、直径均匀、表面粗糙度很低（约 0.2 纳米），可以像玻璃微纳光纤一样实现低损耗光传输。进一步通过测量低温原位显微拉曼光谱，在弹性弯曲冰微纳光纤中发现冰的弯曲诱导相变新现象，为冰的相变动力学等冰物理研究提供了新的实验方法。由于冰是宇宙中最普遍的固态物质之一，理想冰单晶在紫外及可见光波段的本征吸收损耗远低于石英玻璃等光学材料，而且用于全光超快调制的“石墨烯微纳光纤”复合结构10 (a)复合结构示意；(b)调制深度及响应时间的实验测试结果，可以看到，响应时间可低至 2 皮秒左右，调制深度随调制光功率增加而增加。调制光功率（吉瓦/厘米2）调制深度（%）调制深度延迟时间（皮秒）010203040-20000.20.4122468(a)(b)冰微纳光纤光学显微镜照片12 (a)弯曲的冰光纤；(b)传输可见光的冰光纤。50 微米475 纳米500 纳米525 纳米550 纳米575 纳米600 纳米50 微米(a)(b)SCIENCE202023 年 3 月|75 卷 2 期生物兼容、低温稳定，冰单晶微纳光纤不仅改变了人们对冰的常识性认识，还有可能为未来光信息技术、生命科学、宇宙探索等提供新方法、新技术。总 结与展望从 2003 年我们首次实现亚波长直径微纳光纤的低损耗光传输以来，国内外很多研究组对微纳光纤及其相关技术开展了大量研究，在上述微纳光纤传感器、冷原子操控、超快光调制及新材料探索等方面取得了系列重要进展，其中微纳光纤传感器已经接近实用水平，微纳光纤冷原子操控已经成为冷原子物理研究的重要技术方案。另外，除了上述方面，近年来，微纳光纤在光力操控、纳米表面等离激元光学、