Lab-on-Fiber：多功能化光纤端面的机遇和挑战学术资讯

Yifeng Xiong, Fei Xu. Multifunctional integration on optical fiber tips: challenges and opportunities[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(6): 064001

1. 背景介绍

自1966年高锟和George A. Hockham提出低损耗光纤的想法以来，石英光纤的发明推动了通信、传感、激光和成像等众多领域的快速发展。然而，由于传统光纤是以二氧化硅为主要材料，其材料性质和光纤的几何结构阻碍了传统光纤进一步的多功能化应用。因此，若想要赋予光纤更多的功能，就需要对光纤进行改造和加工。

解决这个问题的方法主要有两种。第一种方法是在光纤拉制的时候，将光纤预制棒和一些金属、半导体材料的预制棒共同拉制，从而在一根纤维中同时实现探测、传感和通信等功能。这种多材料光纤拉制在工业中引起了很大的关注，但是由于其制备工艺复杂、成本较高和材料体系受限等原因，在实际的应用中还具备一定的挑战。另一种方法也引起了研究者的极大兴趣，它叫做光纤实验室技术。简而言之，光纤实验室技术就是对商用的光纤进行加工和改造，将新材料和新结构集成于光纤结构上，达到赋予光纤多种多样功能的目的。

2. 光纤端面器件

光纤端面是实现光纤实验室技术的一个理想平台，它是一个天然具备光耦合条件的百微米量级的平面，可以兼容部分成熟的平面微纳加工工艺。光纤端面器件作为一种可以方便地接入光网络的即插即用组件，具有设备体积小、插入损耗低的优点，同时也受到了光-物质相互作用距离短和感测面积小的限制。光纤小的直径和大横纵比也为标准的平面微纳加工工艺应用于光纤端面带来了挑战。因此，人们致力于探索和优化光纤端面的制造技术，从而为将来的多功能集成的全光纤器件铺平道路。

近期，南京大学徐飞教授从制备工艺、功能结构与应用等方面对多功能集成的光纤端面的全球最新研究进展进行了详细回顾与展望，该工作以Multifunctional integration on optical fiber tips: challenges and opportunities为题发表于Advanced Photonics 2020年第6期。

图1 光纤端面的多功能集成

3. 制备工艺

随着微纳加工工艺的发展，目前已经开发了许多兼容于光纤端面器件的制备工艺，包括广为所知的聚焦离子束刻蚀（FIB）、电子束曝光（EBL）、纳米压印光刻（NIL）、双光子聚合（TPP）和纳米转移等常用方法。这些微纳工艺可以大致分为“自上而下”、 “自下而上”和“材料转移”三种技术路线（如图2所示）。这些制备工艺各有其优势和特点，适合于不同的结构和应用场景。

图2 光纤端面器件的加工技术

“自上而下”的方法主要包括预制棒共拉制法、机械加工法、热处理法、化学刻蚀法、聚焦离子束刻蚀法、飞秒激光刻蚀法、平板转印法（包括掩模版光刻法、干涉光刻法、纳米压印光刻法、电子束曝光法）。“自上而下”的方法是最常用的在光纤端面制备2D和3D结构的方法，但由于其往往具有长的加工时间和高的加工成本，通常不适用于大规模的生产。

“自下而上”的方法主要包括自组装法、化学/物理气相沉积法、3D激光直写法（双/多光子聚合法）、光聚合法。对于自组装法、化学/物理气相沉积法等方法，光纤可以被视为另一种形式的氧化硅衬底，能够很好的兼容传统加工工艺。而对于3D激光直写法（双/多光子聚合法），传统工艺和设备需要针对光纤独特的结构进行优化。“自上而下”的方法通常具有低的加工成本，适合于批量的规模生产，但是也收到了结构精度的制约。

“材料转移”的方法主要包括直接材料转移法和纳米转移法。直接材料转移法利用了材料和光纤之间的范德华作用力，材料能直接附着在光纤端面。常见的转移方法有浸涂法、湿法转移和微操作转移法。纳米转移法可以利用成熟的微纳加工工艺，先在平面上制备微纳结构，再将结构进行转移，包括“先释放，再转移”和“先接触，再释放”两种方式。

4. 功能结构与应用

目前，研究者们基于这些制备工艺，在光纤端面上加工了的多样化的光学、光电等功能结构。根据器件尺寸、结构功能的不同，可以将其分为“3D立体的微结构”、“2D的功能化表面”和“电极系统集成”（如图3所示）。其中，“3D立体的微结构”主要包括光机械以及微透镜的结构，广泛地应用于传感、成像等领域。“2D的功能化表面”主要包括纳米材料的集成、纳米结构的集成，广泛地应用在激光、传感、成像、光束整形和操控、光镊等领域。“电极系统集成”主要包括光纤端面的微纳机电系统、光电转换系统、光调制系统等，可以应用于全光纤的传感、光电探测、光电化学分析、光信号调制等领域。