组分结构一体化复合玻璃光纤技术优化

组分－结构一体化复合玻璃光纤，是指同时结合不同组分以及微结构而形成的复合玻璃光纤，如图1－4所示［121－123］。在结构复合玻璃光纤上复合各种功能材料，如金属以及量子点等，利用这些材料不同的物化特性对光进一步调控，能够获得高性能或者多功能的复合玻璃光纤。由于材料组分调控的主导作用，这种复合玻璃光纤属于组分调控的结构复合玻璃光纤。同样地，将微结构集成到组分复合玻璃光纤中，利用微结构调控光的性能，能够获得结构调控的组分复合玻璃光纤。

图1－4　组分－结构一体化复合玻璃光纤示意图

（a）光纤纳米探针前端示意图，灰色代表二氧化硅，黄色代表金［121］；（b）超导材料复合光纤示意图，纤芯为空气，包层为Al2 O3/Ag卷起的双层材料［122］；（c）端面集成式复合玻璃光纤的端面示意图，等离子体超表面放置在光纤端面且覆盖整个纤芯区域［123］

组分调控的结构复合玻璃光纤是通过组分复合来调控结构复合玻璃光纤的光学性能，最简单直接的方式是在光纤端面集成各种材料。在光纤端面集成金属材料是最早提出的一类组分调控的结构复合玻璃光纤。光纤端面具有微小截面和大纵横比的特点，为光信号的接收和耦合提供了一个理想的平台，可实现对局部和远程环境的无干扰感知。为了进一步增强光纤端面的光信号，研究人员将金属材料集成在光纤端面，通过激发表面等离激元，利用表面等离激元电磁场增强，研制出金属调控光纤端面的复合玻璃光纤。1991年，Mullen等采用研磨改性技术修饰光纤端面，再将银沉积在修饰后的光纤端面上，首次在光纤端面获得表面增强拉曼散射；它可广泛应用于无标签生物传感领域［124］。但是，此方法需要对光纤端面进行长时间的研磨改性处理。1998年，Viets和Hill提出薄膜沉积技术，这种技术不需要对光纤端面进行改性处理，直接将金或银沉积在光纤端面获得表面增强拉曼散射［125］。然而，这些技术都只能对粗糙光纤端面进行简单改性，要有效控制和增强光与物质的相互作用，就必须对光纤端面进行微观结构和功能材料的精准集成。2008年，Dhawan等采用聚焦离子束（focused ion beam，FIB）刻蚀技术直接在多模光纤镀金端面加工亚波长尺寸和亚微米周期性的孔阵列，获得局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonances，LSPRs），实现特征波长光信号显著增强［126］。2010年，Lin等提出一种电子束光刻技术，可在光纤端面上直接图案化周期性金纳米点阵列；基于其LSPRs，在生化传感领域有重要应用［127］。相比而言，电子束光刻技术比FIB刻蚀技术更适合光纤端面的微加工。除了这些在光纤端面进行精确微加工的直接技术，一些间接的技术也被提出。2009年，Smythe等提出一种纳米转移技术，通过纳米光刻技术在平面基板上制得介电或金属纳米结构，再将其转移到光纤端面上，获得了增强因子高达105的表面增强拉曼散射［128－130］。

金属调控光纤端面的复合玻璃光纤已应用于光纤传感等领域，但对于高精度感知、痕量探测及近场扫描成像等，需要微米甚至纳米级的感知单元以及更强的光学信号。为此，在锥形光纤尖端集成金属材料的光纤纳米探针被提出。金属材料修饰的锥形光纤尖端能够将其附近微弱的外界环境参量转换为更强的光学信号，使光纤纳米探针成为理想的传感单元。2004年，Grunwald和Holst最先提出将金薄膜与锥形光纤探针复合，通过控制锥体角度，借助于表面等离激元强场局域特性，实现了光纤探针对针尖附近微小区域内环境折射率的高精度传感［131］。2007年，Lucotti和Zerbi提出一种在光纤锥上镀有金属薄膜的光纤纳米探针，利用金属薄膜的表面增强拉曼散射效应实现高灵敏度传感［132］。2010年，Mivelle等将纳米金属微孔直接集成至单模光纤锥尖，实现了表面等离激元的高效激发与收集，进而实现了突破光学衍射极限的近场扫描成像［133］。2013年，Uebel等将金属纳米细丝复合进光纤中，制备了尖端半径小于10 nm的金属针尖［121］。2015年，Huang等提出用不同形状金属纳米颗粒替代金属薄膜，极大地提高了光纤纳米探针的传感灵敏度［134］。(www.xing528.com)

尽管金属材料的表面等离激元可以增强光信号，但其不具备发光性能。量子点是一种特殊的低维半导体纳米晶体，不仅具有电学性能，还具有优良的光学性能。将量子点与结构复合玻璃光纤复合，通过控制量子点尺寸和分布，可得到可调谐和宽带的荧光发射，在荧光传感领域有重要的应用前景。2005年，Meissner等将CdSe/ZnS核壳结构量子点与光子晶体光纤复合，在488 nm激光的泵浦下，获得了594 nm的荧光发射［34］，此项研究拉开了量子点调控结构复合玻璃光纤在可见光波段研发的序幕。随后，Galian等将PbSe量子点与光子晶体光纤复合，在365 nm激光泵浦下，获得绿光发射［135］。Wang等将CdSe/ZnS量子点与光子晶体光纤复合，在450nm激光泵浦下，实现了分辨率为0.057nm/℃的荧光温度传感［136］。

结构调控的组分复合玻璃光纤是另一类组分－结构一体化复合玻璃光纤。组分复合玻璃光纤发展初期，几何结构受拉丝工艺技术制约而无法调控。在光纤端面集成功能微结构成为最早一类结构调控的组分复合玻璃光纤。1974年，Cohen和Schneider基于光刻技术，首次在光纤端面制得半球形和半圆柱形微透镜，极大地提高了光耦合进入单模光纤的效率［137］。1984年，Turner首次提出利用化学蚀刻技术对光纤端面进行改性，可获得扫描近场光学显微端面［138］，但这种技术效率较低，且获得的端面比较粗糙。随后，Stöckle等改进了这一技术，提出采用管蚀刻技术对光纤端面改性，能够获得较高质量的近场光纤端面［139］。1991年，Wolthuis等首次在光纤端面集成Fabry－Perot传感器，实现了医用压力和温度传感［140］。1999年，Laine等提出采用高温工艺对光纤端面进行改性的技术，利用光纤熔接机的电弧放电效应在光纤端面制造了高Q值石英微球，支持回音壁模式谐振［141］。2009年，Kim等采用飞秒激光刻蚀技术在光纤端面实现了具有特定形状和尺寸的菲涅尔波带透镜［142］。

随着光纤拉制技术的进步，研究人员对组分复合玻璃光纤的结构设计从光纤端面转移到光纤内部，开发出多种新型结构调控的组分复合玻璃光纤。但复合玻璃光纤一般传输损耗较高。为了进一步降低传输损耗，研究人员对组分复合玻璃光纤进行了光子带隙结构设计。2002年，Temelkuran等拉制出一种基于有机材料－玻璃复合光纤的空芯光子带隙光纤，与同样组分芯包结构光纤相比，在10.6μm的传输损耗低了两个数量级［105］。随后，研究人员将此类空芯光子带隙光纤的传输波段拓展至近红外波段（0.852.28μm），实现了可见和近红外激光输出［143－145］。除了有机材料－玻璃复合光纤外，半导体－玻璃复合光纤中存在晶界散射，导致大的传输损耗。研究人员通过对半导体－玻璃复合光纤的波导结构进行锥形化设计，实现半导体纤芯单晶化，进一步调控半导体－玻璃复合光纤的性能，如损耗、非线性、色散和光场约束等［37］。2012年，McMillen等首次报道了锥形化对半导体－玻璃复合光纤性能的影响［146］。2017年，Franz等对以半导体硅为纤芯的半导体－玻璃复合光纤进行锥形化处理，同样发现锥形化后硅纤芯的结晶度提高［147］。2019年，Ren和Shen等基于半导体硅为纤芯的半导体－玻璃复合光纤，通过锥形化调控模场特性［148］。

近年来，研究人员通过精巧的组分和结构设计，探索实现自然界中不存在的各向异性和负折射材料的可能性，由此诞生了一类新型光纤——超材料复合光纤。在超材料光纤中，组分复合是基础，提供了电磁属性调整的可能性；结构复合是关键，从根本上决定了超材料的电磁属性。超材料由远小于工作波长的不同组分单元复合而成，利用超材料作为光纤纤芯或包层，通过调控纤芯或包层超材料的介电常数能够实现传统石英光纤无法实现的光学性能。2009年，Smith等首次提出利用超材料作为纤芯或包层构建超材料复合光纤，设计出Al2 O3/Ag超材料包层，能够实现数值孔径值理论上接近于1，Al2 O3/Ag超材料纤芯能够将光场束缚在直径小于入射波长的纤芯之中［122］。2010年，Tuniz等通过将光子晶体光纤的包层气孔替换成金属铟（In）细丝，并采用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）高分子材料作为基底材料，成功制备THz频段超材料光纤［149］。2013年，该课题组采用金属纳米线超材料光纤实现了突破衍射极限的THz成像，最小成像分辨率为λ/28［150］。理论上超材料复合光纤能够使HE11、TE01和TM01模式中任意一个模式具有最小传输损耗，而传统石英光纤中最小传输损耗的模式固定为。2016年，Li等采用Zeonex高分子材料作为包层基底材料，空气纤芯外侧环绕一圈金属In细丝阵列，成功制备出在0.290.44 THz频段内仅支持TM01单模传输、最小传输损耗为0.28 dB/cm的空芯－超材料复合光纤［152］。

随着制备技术的不断发展，各种组分－结构一体化复合玻璃光纤不断被提出。目前，组分－结构一体化复合玻璃光纤研究已从自由设计与制备阶段发展到针对特定应用需求的设计和制备阶段。不难想象，各种技术的交叉融合将为新型组分－结构一体化复合玻璃光纤快速发展提供强大驱动力。

经过几十年的发展，尽管复合玻璃光纤仍处于发展的初期，但已取得了令人瞩目的研究进展，赋予了光纤更高的性能和更多的功能，为光纤和光学领域的发展开辟了重要研究方向。