播光| COL特邀综述：纤维集成光学——一种新兴的光子集成技术
纤维集成光学是一种新兴的光子集成技术。以新型光纤为基础，通过结构的有机集成，将较复杂的光路和各种光学元器件微缩集成到一根光纤中，其目的就是实现基于光纤的光器件的小型化，让光信息、传感和光处理器件更加紧凑。这种新兴的光子集成技术已经发展成为微纳光子芯片的一个分支，也在“光纤内或光纤上的实验室”的研究方向中得到了充分的展示。
纤维集成光学的研究主要集中在以下三个方面：
（1）新型光纤的设计与制造，
（2）基本光器件或组件的集成技术，
（3）进一步开发多功能微系统集成技术和光纤集成光学的方法。
Chinese Optics Letters 近期发表的综述文章（In-Fiber Integrated Optics: An Emerging Photonics Integration Technology [1] ）概述了纤维集成光学在过去十几年的研究概况。文中对纤维集成技术基础进行了介绍，包括几种功能性光纤、纤维集成光器件以及一些应用实例。
一、 功能性光纤
（1）多芯光纤
图1给出了几种不同结构的多芯光纤。这种光纤的每一个纤芯都可以作为独立的光波传输通道，可以用于制作单光纤干涉仪、光纤耦合器、多芯光纤扇入/扇出器、光电解调器、光纤集成多激光器等纤维集成光器件。
图1 用于多光路分离或集成的多芯光纤
（2）阵列芯光纤
图2所示的几种阵列芯光纤可在离散光学系统中通过相邻芯之间的耦合对入射光进行展宽，实现对传输光场的波形控制。
图2 用于光波相位阵列控制的阵列芯光纤
（3）微孔光纤
图3给出的几种微孔光纤具有贯穿光纤的微孔，可以很好地将微流通道与光波导相结合。这种含有长工作腔结构的光纤为物质和波导之间的相互作用提供了足够长左右区间，打破了传统光纤的限制，在分析领域（特别是痕量检测方面）展现出了独特的优势，例如用于构建纤维集成的光流控器件用于折射率、化学发光和荧光检测以及电泳分离和检测等。
图3 用于光通道和微流通道混合集成的微孔光纤
针对各种不同结构的光纤，目前常用的光纤微加工技术有：熔融焊接技术、光纤侧面抛磨技术、光纤端面加工技术、光纤熔融拉锥技术、化学刻蚀和涂覆，以及激光微加工技术。
二、纤维集成光器件
文中介绍了多种纤维集成光器件，例如光耦合器、多芯光纤扇入/扇出器、多芯光纤布拉格光栅、光调制器、光纤激光器和光电探测器等。
图4 光电调制器
三、纤维集成光学系统
文中介绍了多个纤维集成光学系统应用实例，如加速度计系统、微粒捕获系统、光流控系统、空芯光子带隙光纤光热气体传感系统。
（1）悬臂梁式纤维集成加速度计系统
图5给出了悬臂梁式纤维集成加速度计系统的示意图。该系统利用双芯光纤和单芯光纤熔融拉锥制而成的光纤迈克尔逊干涉仪，对加速度引起的光纤弯曲进行测量。这种光纤集成式的加速度计尺寸小，配置灵活，并且由于两个纤芯对外部环境温度变化响应一致，因此具有极好的温度补偿能力。
图5 光纤集成加速度计
（2）纤维集成光捕获系统
图6所示的纤维集成光捕获系统通过集成在光纤中的马赫曾德干涉仪来控制纤端输出光场的分布特征，进一步实现了对粒子捕获方向的调整。这种类似的结构也可以应用到其他多芯光纤中，进一步将光镊发展成为“多光手”，用于对微小粒子进行多维度的控制。
图6 用于粒子捕获和操控的集成式微光操纵系统
纤维集成光学技术解决了在一根光纤内部光波的信息交换、信息处理以及与光纤外界的信息感测与提取的关键问题，发展了实现新型多功能光纤关键器件的新途径。通过设计并研制基于新型功能光纤的器件，实现对光波行为的操控，从而达到实现光信息交换、处理，以及通过与外界环境和材料的相互作用提取信息的目标。其在众多交叉学科领域中的广泛应用，有待于我们未来进行深入的探索和发现。
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