探討光纖中的集成光學(xué)與離散光學(xué)

1 引 言

集成技術(shù)在微納光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。集成光學(xué)始于1969年貝爾實驗室的米勒博士，為了將宏觀上光學(xué)實驗平臺搭建的光路與光信號處理系統(tǒng)應(yīng)用于實際的場景中，必須將其微縮集成在一塊平板基片上，為此他提出了集成光學(xué)的概念[1]。于是人們開展了以介電材料為基片的集成光學(xué)系統(tǒng)的研究。1972年，Somekh和Yariv進一步提出了在同一半導(dǎo)體襯底[2]上同時集成光學(xué)器件和電子器件的想法。從那時起，研究人員就開始利用各種材料、不同的制造方法來制造集成光學(xué)器件和光電混合集成器件。

近年來，平面光子集成芯片技術(shù)正在成為各國發(fā)展光子產(chǎn)業(yè)的重要關(guān)鍵技術(shù)。盡管平板基底器件一直在光通信系統(tǒng)中扮演著最主要的角色，特別是近年來迅速發(fā)展起來的硅基光子集成技術(shù)，由于與CMOS技術(shù)兼容，日益成為光電子集成發(fā)展的主流方向之一。但就某些特定的功能而言，光纖波導(dǎo)器件具有平板基底器件難以比擬的優(yōu)勢，在某些應(yīng)用場合甚至具有不可替代的作用，采用微結(jié)構(gòu)光纖的光纖波導(dǎo)器件更是如此。

因此，在新一代光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中，光纖集成光子器件必將占有一席之地，成為新一代光信息技術(shù)發(fā)展的重要方向；另一方面，隨著智慧城市、5G技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計算的應(yīng)用，特別是未來6G技術(shù)和元宇宙的發(fā)展新趨勢，信息的獲得與傳輸需求劇增，特別是數(shù)據(jù)中心的信息交換與短距離的信息傳輸呈現(xiàn)出指數(shù)式的增長。如何滿足這些多樣化的傳輸與感測的需求，也為新一代光纖光子集成器件的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。

為此，本文概述了以折射率導(dǎo)引型(以高折射率介質(zhì)作為光波傳輸區(qū)域，低折射率介質(zhì)作為光波傳輸包敷區(qū))特種微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)光纖作為基礎(chǔ)，在光纖上進行光子器件集成的方法。其核心概念就是以光纖作為圓形襯底材料，構(gòu)造三維立體光器件集成體系，將較復(fù)雜的光路和各種光學(xué)元器件微縮到一根光纖內(nèi)部。

目標(biāo)是將傳統(tǒng)的光學(xué)元器件和系統(tǒng)微型化，并按照新的物理觀點將這些元器件或系統(tǒng)“集成”在一根光纖中，以形成具有多種功能的光纖集成光子學(xué)器件。這種集成技術(shù)，一方面為微光學(xué)器件提供了一種新型光路集成方式和解決途徑，可獲得具有不同功能、不同集成度的纖維集成微縮光纖器件，從而實現(xiàn)光子學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微型化；另一方面，集成在一根直徑僅為125 μm的光纖中的緊鄰器件之間也構(gòu)成了一個相互影響的光學(xué)系統(tǒng)。而離散光學(xué)就是研究分立的光路和器件及其相互關(guān)系與相互影響的光學(xué)分支。

離散光學(xué)系統(tǒng)是指由有限個不同的光路與分立的光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。因此，纖維集成離散光學(xué)系統(tǒng)就是研究如何在一根光纖中構(gòu)建這些彼此分立的光學(xué)器件；如何通過各個光學(xué)單元之間的空間結(jié)構(gòu)的變化實現(xiàn)彼此的影響；通過什么方法改變和調(diào)控這些離散光學(xué)器件及其光場相互作用的關(guān)系；從這些相互影響的結(jié)果中能夠獲得哪些可資利用的功能與效應(yīng)。

這些構(gòu)成了本文進行探討的另一部分內(nèi)容。作為光纖集成光學(xué)系統(tǒng)的典型應(yīng)用，本文給出了一個可實現(xiàn)三維形狀傳感的案例來加以說明，該應(yīng)用是借助于集成在一根多芯光纖的多光路與多光纖光柵的微光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的。

2 光纖中的集成光學(xué)

2.1 光纖中進行光學(xué)集成的基本思路

我們知道集成光學(xué)概念的發(fā)展是在光電子學(xué)和微電子學(xué)基礎(chǔ)上，采用集成方法，研究和發(fā)展起來的光學(xué)器件集成系統(tǒng)。1978年K. O. Hill提出了光纖光柵的概念，首次將反射鏡或濾波器寫入光纖[3]，開拓了將光學(xué)無源器件集成到光纖中的先河。借助于光纖光柵，人們發(fā)展了集成在光纖內(nèi)的F—P干涉儀。另一方面，為了提高光通信傳輸信道密度，1979年提出了在同一根光纖中放入多個光信息通道的多芯光纖的概念[4]。多芯光纖技術(shù)在早期光通信實際應(yīng)用過程中遇到了兩個主要的問題與難點：一是多芯光纖互連與接續(xù)十分困難；二是多芯光纖各個纖芯之間的長程串?dāng)_嚴(yán)重。

隨著波分復(fù)用和密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，多芯光纖解決密集信道通信的方案越來越失去了其優(yōu)勢。近年來，隨著信道容量擴展的需求迫近，在一根光纖中的空分復(fù)用的多芯光纖技術(shù)又被重提，發(fā)展了多芯光纖芯間隔離技術(shù)[5，6]和多芯光纖分路連接技術(shù)[7，8]，新的光纖制造技術(shù)的發(fā)展為多芯光纖通信注入了新的活力，已經(jīng)成為未來解決光通信擴容的主要途徑之一。

事實上，為了嘗試并探索是否能夠以光纖為基體襯底材料，將若干光學(xué)器件與光路微縮集成在同一根光纖中，需要嘗試的就是把直徑為125 μm的石英材料作為基礎(chǔ)材料，將具有不同功能、不同集成度的光學(xué)器件微縮安排在同一根石英纖維的內(nèi)部，這就是所謂纖維集成光學(xué)器件與系統(tǒng)的構(gòu)想。目的是嘗試采用石英光纖預(yù)制棒的靈活多變的組合技術(shù)和石英光纖的拉制辦法，形成一種將較為復(fù)雜的光路與器件在光纖內(nèi)的集成新方法，以實現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微型化。

通過這一新穎的集成技術(shù)，可以將多種單一功能的光器件微縮集成在一根光纖中，也可以進一步將單元功能器件再次集成，構(gòu)成功能復(fù)雜的微系統(tǒng)。通過與外部的標(biāo)準(zhǔn)光纖連接，構(gòu)成新一代特種微型纖維集成器件。它可使微型化和集成化光學(xué)元件進入一個緊密功能的系統(tǒng)中，使新一代微型纖維集成光學(xué)器件的性能大大提高。

與遠(yuǎn)程光纖通信不同，纖維集成光學(xué)器件多數(shù)情況下關(guān)注的不是遠(yuǎn)傳，而是集成在光纖中短距離波導(dǎo)自身及其與周圍的波導(dǎo)之間的相互作用，同時也關(guān)注光纖內(nèi)部波導(dǎo)與光纖外部周圍物質(zhì)之間的相互作用。這些相互作用常常是來自光纖端或者是光纖側(cè)面光場與其他物質(zhì)的相互作用。在某些特殊情況下，纖維集成光學(xué)也關(guān)心長程傳輸特性及其與周圍環(huán)境之間的相互作用，例如：基于多芯光纖的空分復(fù)用光通信、遠(yuǎn)程多光路分布式干涉測量等應(yīng)用就屬于這樣的特殊情況。

近幾年來，圍繞單根纖維集成光學(xué)技術(shù)的思路，人們對該技術(shù)進行了初步探索。設(shè)計并實驗拉制了多種特殊的微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)芯光纖，以微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)芯光纖為基體核心單元，開展了光纖內(nèi)光路構(gòu)造的研究工作。報道了將邁克耳孫干涉儀嵌入單根光纖內(nèi)部等研究工作[9，10]。為了使光纖集成元件與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)光纖系統(tǒng)相兼容，采用獨特的焊接后在焊點處進行熔融拉錐技術(shù)，實現(xiàn)了多芯光纖及其器件與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的連接與耦合[11]，可方便地將基于多芯光纖的光學(xué)器件和光路接入到標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖鏈路中[12]。近幾年來，圍繞微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)光纖的系列前期探索性工作的結(jié)果[13—16]，人們又進一步開展了系列研究的深化工作，如多芯光纖光柵集成與寫入方法的有關(guān)研究[17，18]，基于雙芯光纖的集成式電光調(diào)制器的研究[19]等。

2.2無源器件集成

2.2.1 多種波導(dǎo)在單根光纖中的集成

折射率導(dǎo)引型微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)光纖與傳統(tǒng)的光纖相比，其結(jié)構(gòu)有很大不同，因此表現(xiàn)出許多奇異的特性。這些特性，除了可以用于新一代光信息處理與光通信器件之外，還可以用于微操作光鑷、高精度微光學(xué)計量、光與物質(zhì)相互作用特殊環(huán)境構(gòu)建、各種微量生物化學(xué)成分的傳感與測量等研究領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

多芯光纖(multi-core fiber，MCF)是折射率導(dǎo)引型微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)光纖的典型代表，一般相對于單芯光纖而言，它的結(jié)構(gòu)是在公共的包層內(nèi)含有多根(兩芯以上)獨立纖芯的光波導(dǎo)，光纖中每個芯都是一條獨立的光通道，因此多芯光纖被看作是一種多光學(xué)通道或多光路集成的光纖，如圖1(a)所示。此外，還設(shè)計研制了各種結(jié)構(gòu)的多波導(dǎo)光纖，如圖1(b)所示，給出了用于構(gòu)建纖維集成光器件與微系統(tǒng)的若干種多芯光纖。由于不需要進行遠(yuǎn)傳，因此每個纖芯并沒有低折射率隔離層，其目的是在集成光路與器件開發(fā)方面，能夠更加方便地實現(xiàn)光波控制、光波信號交換、光纖信息處理以及光纖與周圍環(huán)境相互作用的信息提取等任務(wù)。

除了多波導(dǎo)的光路集成光纖外，將微流物質(zhì)通道與光通道進行混合集成的光纖能夠把微流物質(zhì)，例如，氣體或液體，或者是對光波電場進行調(diào)控的電極材料引入光纖中，不僅增強了光與引入的物質(zhì)相互作用的能力，為光纖中波導(dǎo)傳輸?shù)墓鈭雠c外界各種物質(zhì)在微納尺度之間的長程相互作用提供了理想的場所，更是為在光纖上進行新功能器件的集成打開了方便之門，有助于在光纖上開展有源調(diào)控器件和微流感測器件的混合集成，如圖1(c)所示。

圖1 多種波導(dǎo)集成在一根光纖中的特種光纖 (a)幾種典型的多芯光纖橫截面圖，有多芯線性陣列、多芯環(huán)形陣列、中心孔周圍的多環(huán)形波導(dǎo)；(b)典型的波導(dǎo)集成光纖橫截面圖，包含同軸雙波導(dǎo)互相嵌套、多環(huán)形陣列波導(dǎo)、密集分布多芯波導(dǎo)；(c)具有微流通道的微流光纖橫截面圖，包含波導(dǎo)懸掛在毛細(xì)管內(nèi)壁、中空環(huán)形芯波導(dǎo)、纖芯緊鄰微流孔

2.2.2 結(jié)構(gòu)重構(gòu)式功能器件在單根光纖上的集成

光纖微加工與處理技術(shù)是在光纖上制造并集成光學(xué)器件的主要方法和手段。通過對前述各種特殊結(jié)構(gòu)和功能的光纖進行二次加工，才能在光纖內(nèi)制造出所需要的各種功能器件。圖2給出了幾種典型的通過對光纖進行微加工來改變光纖形狀與結(jié)構(gòu)的方法與技術(shù)，通過這些改變來實現(xiàn)對光纖內(nèi)光場的調(diào)控，形成各種功能器件的集成。

采用光纖焊接機，通過光纖的焊接與熔融拉錐來獲得不同的結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)光纖上構(gòu)造各種微結(jié)構(gòu)器件的常用方法。例如，采用普通光纖和一段同樣直徑的石英毛細(xì)管進行焊接時可以得到如圖2(a)最左側(cè)圖所示的結(jié)構(gòu)；調(diào)整合適的放電電流，借助于光纖焊接機也可以實現(xiàn)雙錐和單側(cè)陡變錐體，參見圖2(a)中間和右側(cè)的圖。機械拋磨是實現(xiàn)光纖端和光纖側(cè)面微加工的另一種常用方法，圖2(b)給出的多棱錐、楔形和圓錐體光纖端就是采用纖端研磨的方法制備出來的[20—22]。經(jīng)過機械研磨的光纖端或側(cè)面，常常會有微觀上的劃痕，這時可采用局部高溫加熱的辦法(俗稱火拋光)，通過熱熔后石英玻璃材料的表面張力來消除研磨表面的微觀粗糙不平的部分，起到使表面進一步光滑的作用。

CO2激光加工技術(shù)是實現(xiàn)光纖熱熔的另一種重要方法，可以用于制備各種光纖透鏡，在纖端燒制微球，如圖2(c)的左圖所示，也可以通過加熱施加內(nèi)部壓力的石英微管的局部，在內(nèi)部壓力作用下使得軟化部分得以膨脹后就形成了微腔或微泡，參見圖2(c)中間的圖片。若是希望在光纖側(cè)面雕刻如圖2(c)右側(cè)所示的微槽，則需要采用飛秒激光器微加工系統(tǒng)完成這樣的制備工作。通過熱熔扭轉(zhuǎn)光纖也能夠?qū)崿F(xiàn)一些特殊的功能，如圖2(d)所示，特別是與一些具有不對稱結(jié)構(gòu)的特種功能光纖相結(jié)合，能夠制備出光纖渦旋光生成器件、光纖濾波器、長周期光纖光柵等器件[23]。

化學(xué)蝕刻也是對光纖進行微加工的常用方法，可以將光纖的某一截面改造或重塑為復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)光器件。這種微加工工藝是基于蝕刻速率控制來完成的，要想實現(xiàn)這種微加工技術(shù)，需要在標(biāo)準(zhǔn)的光纖制造過程中，將五氧化二磷引入硅玻璃中。當(dāng)這種摻雜光纖暴露于氫氟酸時，摻有五氧化二磷的光纖截面內(nèi)區(qū)域的蝕刻速度比純二氧化硅快約100倍[24，25]。因此，就可以通過設(shè)計和制備特殊摻雜的光纖，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的尖端或?qū)诫s光纖與標(biāo)準(zhǔn)光纖之間進行拼接組合，然后蝕刻成最終結(jié)構(gòu)，就可以有效地制造出各種新的光子器件了，如圖2(e)和2(f)所示。

圖2 采用不同的微加工技術(shù)獲得的各種光纖集成器件 (a)光纖焊接機構(gòu)造的各種微結(jié)構(gòu)器件；(b)纖端研磨機制備的各種纖端形狀；(c)熔融吹泡與深紫外激光加工的球形器件和微槽器件；(d)熱熔扭轉(zhuǎn)制備的特種光纖；(e)，(f)化學(xué)刻蝕制造的光子器件

2.3 有源器件集成

2.3.1 多芯光纖激光器

采用高精度的多芯光纖(FBG)制造方法，能夠在多芯光纖的所有芯中制造并行激光器陣列，這不僅使激光器的制造效率得到極大的提高，也為密集空分復(fù)用光通信和光傳感系統(tǒng)中并行陣列激光器光源器件的發(fā)展提供了新的途徑。為此，Westbrook等[26]給出了在七芯光纖并行制造分布式反饋(DFB)激光器的報道。

在這項工作中，六邊形排列的七芯光纖的所有7個纖芯都并行刻寫了光纖光柵(圖3(a)，(b))，其中所制造的并行光纖DFB激光器中，7個纖芯中的6個具有足夠的輸出光功率，第7個纖芯激光器輸出功率低于其他纖芯的100倍。這是由于在光柵刻寫過程中曝光條件不夠理想造成的。所采用的光纖是芯間距為40 μm的六邊形陣列摻鉺多芯光纖，利用單次紫外曝光制作了8 cm長、工作在1545 nm附近的DFB光柵腔，如圖3(c)所示。

圖3 七芯光纖多激光器及中空多芯光纖微球諧振腔激光器示意圖 (a)七芯光纖圖像，顯示纖芯數(shù)和紫外刻寫光束的方向；(b)紫外刻寫光束的射線軌跡；(c)測量多芯光纖DFB激光器的實驗裝置：其中泵浦光波長為980 nm，經(jīng)過980/1550波分復(fù)用器(WDM)注入錐體光纖扇入扇出器中，多芯摻鉺光纖進行泵浦放大，經(jīng)過π相移多芯光纖光柵后，形成7路DFB激光；(d)中空三芯光纖微球諧振腔激光器的橫截面；(e)光纖內(nèi)部懸掛纖芯之間的內(nèi)夾角；(f)微球上回音壁模式的傳播方式 采用中空的熔嵌橢圓形多芯光纖也可以在單根光纖內(nèi)實現(xiàn)多激光器的集成，圖3(d)—(f)給出了一種借助于中空熔嵌橢圓形多芯光纖，嵌入具有增益介質(zhì)的微球諧振腔的集成式多激光器工作原理示意圖[27]。

這種具有特殊結(jié)構(gòu)的中空多芯光纖中，當(dāng)輸入光進入光纖后，由于中空多芯光纖的光纖芯是懸掛在光纖內(nèi)壁上的，其外界石英包層只有幾個微米，所以其倏逝場比較大。微球諧振器與嵌在光纖內(nèi)壁上的光纖芯進行相位匹配、能量耦合，將種子光源的倏逝場的能量耦合到稀土材料微球表面，形成回音壁模式諧振，光波在光纖內(nèi)置的稀土玻璃微球內(nèi)表面上不斷進行全反射，從而被約束在球體內(nèi)沿微球表面的大圓繞行并進行信號增益、放大，最終通過光纖內(nèi)壁上的纖芯將諧振波耦合出來，實現(xiàn)增益放大的諧振光輸出。

這種特殊的基于中空光纖的微球諧振腔有源器件繼承和改善了傳統(tǒng)微諧振腔光學(xué)器件的4個特性，即極高的光學(xué)品質(zhì)因子(Q-factor)所導(dǎo)致的4個光學(xué)特性：高能量密度、超窄的諧振波長線寬、極小的模式體積和超長的光腔衰蕩周期，加上該器件可以實現(xiàn)兩個或兩個以上的光纖芯同單個微球諧振腔器件的空間三維耦合，從而可以實現(xiàn)在一個微球腔上面多條路徑的回音壁模式傳播，這為在一個微球諧振腔上制備多個波長復(fù)用的微腔激光器提供了可能。

2.3.2 光纖集成光電探測器

全光纖光通信網(wǎng)絡(luò)的前景很吸引人，在這種網(wǎng)絡(luò)中，光可以在光纖內(nèi)部產(chǎn)生、調(diào)制和檢測，而不需要離散的光電子設(shè)備。然而，要想成為現(xiàn)實，這種方法需要將光電材料及其功能集成到光纖中，以創(chuàng)建一種用于執(zhí)行各種任務(wù)的新型半導(dǎo)體—光纖混合器件。

光纖與光電子材料的集成是一項有意義的工作。在微結(jié)構(gòu)光纖中加入半導(dǎo)體結(jié)可以有效地改善光纖內(nèi)器件或全光纖器件的性能，使光纖本身能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的探測。J. V. John小組在2012年報道了通過精確摻雜半導(dǎo)體材料和高質(zhì)量整流半導(dǎo)體結(jié)集成到微結(jié)構(gòu)光纖中，實現(xiàn)了高速、全光纖功能通信波長的光檢測[28]。該半導(dǎo)體—光纖混合器件的帶寬高達(dá)3 GHz，可與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖無縫耦合連接，具有亞納秒的響應(yīng)速度，如圖4所示。

圖4具有半導(dǎo)體結(jié)的光電探測光纖 (a)半導(dǎo)體結(jié)由幾層硅和鍺構(gòu)成，位于靠近纖芯的微孔中；(b)對波長分別為1310 nm和1550 nm的約10 ps的光信號響應(yīng)，表明該光電探測器具有亞納秒的快速響應(yīng)速度

3 光纖中的“離散光學(xué)”

3.1 光纖中的離散光學(xué)系統(tǒng)

光纖集成光學(xué)系統(tǒng)為離散光學(xué)的研究提供了理想的實驗室。在離散光學(xué)系統(tǒng)中，可以通過多種光場之間的關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)對系統(tǒng)中光波電場的調(diào)控。例如，集成在一根光纖中的波導(dǎo)陣列可以通過各個離散波導(dǎo)的模式耦合機制實現(xiàn)模場的調(diào)控，從而獲得所需的光場特性。事實上，這可以通過設(shè)計制造特殊的波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)的方法，構(gòu)造出所需的離散結(jié)構(gòu)光學(xué)器件。在所設(shè)計的光纖波導(dǎo)陣列中，通過相鄰纖芯之間的耦合，輸入光可以擴大空間分布[29—31]，就像連續(xù)介質(zhì)中的衍射一樣。為此，圖1(a)給出了幾種特殊設(shè)計的多芯排列光纖。

如何實現(xiàn)各個離散模場之間的轉(zhuǎn)換也是光纖離散光學(xué)所關(guān)注的內(nèi)容之一。典型的問題是光纖波導(dǎo)中模場幾何尺寸的擴展和壓縮，少模光纖中模場分離等問題。離散光學(xué)的主要內(nèi)容，就是通過搞清楚上述各種光波電場關(guān)聯(lián)的內(nèi)在機制，從而獲得其相互作用規(guī)律，進而找到能夠操控其變換的方法，為在單根光纖中將分立器件集成后獲得新的光學(xué)特性或新的功能提供有效的手段。

3.2 光纖離散光學(xué)的調(diào)控方法

3.2.1 離散波導(dǎo)耦合調(diào)控

所謂的調(diào)控，是指通過波導(dǎo)模場之間彼此的關(guān)聯(lián)與相互關(guān)系加以變化和調(diào)整。具體而言，就是指在波導(dǎo)模場之間的強度耦合轉(zhuǎn)化，或者相位變化過程中加入可控的變化。而在離散光學(xué)系統(tǒng)中，正是由于在緊湊的空間中，各個分立的波導(dǎo)之間的相互影響和關(guān)聯(lián)較強，例如波導(dǎo)之間耦合系數(shù)數(shù)值較大，才會使得彼此之間的相互影響效應(yīng)較為顯著。離散光學(xué)關(guān)注的內(nèi)容，恰好是如何通過對這種關(guān)聯(lián)的深入系統(tǒng)的認(rèn)識，借助于其規(guī)律與特性，實現(xiàn)特種功能并達(dá)成需求的目標(biāo)。

在同一個包層中置入多個波導(dǎo)，是單根光纖中進行多光路集成的典型器件，通過不同的折射率剖面進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種器件可用于解決光通信容量問題，用于構(gòu)建長距離通信的空分復(fù)用多芯光纖[32—34]；也可以通過增加摻雜面積從而提高激光功率的潛力，構(gòu)建成鎖相MCF激光陣列[35，36]。對于這類分離波導(dǎo)集成器件的分析，可借鑒較為嚴(yán)格的耦合模理論[37—39]，例如，以典型的線性分布多波導(dǎo)為例，如圖5所示，通過簡化的耦合波模型，給出各個分立的離散波導(dǎo)之間的超模耦合分析方法，以建立這類離散波導(dǎo)系統(tǒng)之間簡明的關(guān)聯(lián)[40]。

圖5 多個離散波導(dǎo)按線性分布在一個包層中的光纖 (a)線性陣列多芯光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖(左)和實物圖(右)；(b)線性陣列多芯光纖的折射率剖面

3.2.2漸變波導(dǎo)模場調(diào)控

漸變波導(dǎo)指的是器件折射率剖面由一種結(jié)構(gòu)緩慢變化至另一種異形結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，基于這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)光纖波導(dǎo)中模場的壓縮、擴展、變形、平移等操作，也能將多模波導(dǎo)中不同模式進行分離和組合。運用漸變波導(dǎo)的設(shè)計理念，相關(guān)研究者設(shè)計了模場變換器和模分復(fù)用器等實用的光子器件，廣泛應(yīng)用于光纖通信與激光器領(lǐng)域。漸變波導(dǎo)具有兩個主要特點：(1)漸變波導(dǎo)輸入端的結(jié)構(gòu)與輸出端的結(jié)構(gòu)不同，輸入模式與輸出模式的電磁場分布也有較大差異；(2)漸變波導(dǎo)一般呈現(xiàn)錐形或條形，其整體結(jié)構(gòu)變換呈緩變趨勢，基本不會激發(fā)導(dǎo)模與輻射模間的耦合，器件插入損耗較低。

圖6 (a)模場變換器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)對應(yīng)于(a)中4個位置的折射率截面圖，其中左邊小圖為輸入單模纖的折射率，對應(yīng)于與錐體大端對接的單模光纖，中間兩個小圖對應(yīng)于錐體被拉細(xì)前后的折射率分布情況，右側(cè)的小圖對應(yīng)于輸出的單模光纖折射率分布；(c)雙包層過渡光纖中模式演化過程圖；(d)仿真得到的折射率剖面圖；(e)光子燈籠結(jié)構(gòu)簡圖

漸變波導(dǎo)中最重要的一類器件是拉錐波導(dǎo)，典型的模場變換器[41—43]和模分復(fù)用器[44—46]都屬于此類器件。該器件通常由一根或多根光纖外加石英毛細(xì)套管拉錐制成，在拉錐過程中器件的橫向剖面隨套管外徑的縮小等比例縮小，在此過程中一般不發(fā)生熱擴散效應(yīng)，不同錐區(qū)橫截面均可視為初始截面縮小后的結(jié)果。未收縮的器件初始端一般連接單模光纖，另一端連接多芯光纖或少模光纖。

單模光纖的入射光波經(jīng)過拉錐波導(dǎo)進行模場變化后，可形成多芯光纖中某一芯的基?；蛏倌９饫w中支持的某個模式(圖6(a)，(b))。這種器件具有多種應(yīng)用場景，例如多芯光纖扇入扇出器(MCF-FIFO)、半導(dǎo)體激光器的輸出模式變換等，是光纖通信領(lǐng)域中必不可少的器件。模場變換器的核心要點是消逝芯的形成，消逝芯指光纖拉錐過程中原本的纖芯收縮至一定大小后，無法起到束縛導(dǎo)模作用，模式能量逐步由纖芯內(nèi)部擴散至外部，直至纖芯本身對模場的影響可忽略不計，此時我們稱該纖芯為消逝芯。

模場變換器通常由拉錐雙包層過渡光纖構(gòu)成，在未拉錐的一端，消逝芯和雙包層過渡光纖內(nèi)包層構(gòu)成了光纖單模結(jié)構(gòu)，限制纖芯中的模式數(shù)量。而在另一端，由于拉錐后的雙包層過渡光纖纖芯收縮成為消逝芯，無法將基模限制在纖芯內(nèi)部，拉錐后的內(nèi)包層與外包層構(gòu)成了新的雙層折射率結(jié)構(gòu)，當(dāng)收縮率達(dá)到一定程度，內(nèi)包層與外包層同樣能形成新的單模結(jié)構(gòu)，如圖6(c)，(d)所示。

光纖模分復(fù)用器(或稱之為光子燈籠，photon lantern，PL)也是一類漸變波導(dǎo)，它通常由多根單模光纖、低折射率多孔毛細(xì)管、少模光纖熔接拉錐制成，能將單模光纖中傳導(dǎo)的基模轉(zhuǎn)換為錐區(qū)末端少模光纖中的各階模式。漸變波導(dǎo)的絕熱判據(jù)也能用來衡量光子燈籠的模式數(shù)量、器件長度、拉錐形狀等參數(shù)之間的關(guān)系。與普通拉錐波導(dǎo)不同，光子燈籠一般含有多個局域超模，設(shè)計光子燈籠首先要確保這些局域模式的有效折射率差足夠大，并且不產(chǎn)生交叉。一個典型的六模光子燈籠的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6(e)所示。

4 光纖中的集成系統(tǒng)應(yīng)用：多芯光纖三維形變傳感器

基于多芯光纖構(gòu)建的三維形狀傳感系統(tǒng)是光纖集成光學(xué)系統(tǒng)的一個典型應(yīng)用案例，它利用光纖局部應(yīng)變產(chǎn)生的后向散射信號來探測光纖的彎曲和扭轉(zhuǎn)等信息，然后對這些信息進行處理以重構(gòu)光纖的空間形變，能夠?qū)崟r持續(xù)跟蹤動態(tài)物體(未知運動)的形狀和位置[47]。該技術(shù)提供了一種有效的替代現(xiàn)有形狀傳感的方法，其優(yōu)點是安裝方便、本質(zhì)安全、尺寸小巧緊湊、具有柔軟的靈活性、抗惡劣環(huán)境和腐蝕、不需要接近，僅靠感測數(shù)值及重構(gòu)模型即可重建形狀。這些優(yōu)勢使得其在醫(yī)療、能源、國防、航空航天、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測以及其他智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

基于多芯光纖實現(xiàn)三維形狀傳感的方法有多種[48]，本節(jié)僅以分布式四芯光纖三維形狀傳感系統(tǒng)為例，來展示如何能夠通過在一根多芯光纖上的多個光纖光柵器件的集成，再通過多組FBG陣列的集成，借助于4根纖芯在同一根光纖中的空間分布關(guān)系，形成一個規(guī)?；墓馄骷⒓上到y(tǒng)，從而給出位于不同空間位置的FBG的形變差異來實現(xiàn)該多芯光纖三維形狀重構(gòu)的。

對于采用多芯光纖光柵如何重構(gòu)空間三維形狀的問題，2012年，美國航天管理局蘭利研究中心Moore等人[49]提出了一種分析分布式光纖彎曲傳感測量數(shù)據(jù)的新方法。他把彎曲傳感光纖看成基爾霍夫(Kirchhoff)彈性桿，因此基于基爾霍夫彈性桿理論，就可以把傳感光纖的空間彎曲特征用Frenet—Serret方程表示出來，該方程采用一系列微分方程來描述空間三維彎曲。通過求解該方程就可得到光纖應(yīng)變的具體位移和方向。

圖7(a)，(b)所示的是四芯光纖光柵彎曲傳感器，該傳感器主要通過在四芯光纖上刻寫布拉格光柵陣列而成，該光柵陣列一般可以采用相位掩模法來制備。從圖7(b)可看出，四芯光纖主要由一個位于包層中心的中央纖芯和三個以正三角形的形式排列的纖芯組成。

圖7 四芯光纖光柵彎曲傳感工作原理 (a)光纖傳感三維形狀重構(gòu)原理示意圖；(b)四芯光纖橫截面圖；(c)四芯光纖扇入扇出關(guān)鍵部件 在實際光柵彎曲傳感系統(tǒng)中，根據(jù)光纖局部的彎曲半徑和彎曲方向就可以得到光纖局部形態(tài)變化數(shù)據(jù)，借助于這些形態(tài)變化數(shù)據(jù)就可以重構(gòu)光纖整體的三維形變。因此，如果沿著光纖布置若干個FBG傳感陣列，我們就可以重構(gòu)整個光纖的三維形態(tài)變化。

在多芯光纖的每個測量剖面中，通過同時測量不同纖芯的應(yīng)變確定該位置的三維曲率。隨后將各位置的曲率使用插值或曲線擬合的方法得到整根光纖的曲率函數(shù)，最后通過重構(gòu)算法實現(xiàn)三維形狀還原。圖7(b)，(c)給出了可全部國產(chǎn)化的四芯光纖三維形狀傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

5 討論和展望

光纖集成光學(xué)就是利用石英光纖作為基體材料，將各種光路或光學(xué)元件微縮集成到一根光纖中，構(gòu)建一個多功能的光學(xué)器件或元件，或通過若干個功能光學(xué)器件的集成，在光纖上構(gòu)建成完整的微光學(xué)系統(tǒng)。而離散光學(xué)則是指由有限個不同的光路與分立的光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，光纖中的離散光學(xué)是指集成在光纖上的離散光學(xué)系統(tǒng)，對于在如此狹小空間中構(gòu)建這些彼此分立的光學(xué)器件所形成的光學(xué)系統(tǒng)來說，各個光場彼此會發(fā)生耦合與關(guān)聯(lián)。如何通過各個光學(xué)單元之間的空間結(jié)構(gòu)或折射率的變化加強有益的耦合或減弱有害的關(guān)聯(lián)，采用何種方法改變和調(diào)控這些離散光學(xué)器件及其光場的相互作用，就構(gòu)成了離散光學(xué)需要研究的內(nèi)容。

纖維集成光學(xué)技術(shù)為微光子器件、微光子系統(tǒng)的集成提供了有別于硅基單片光子集成、混合光電集成之外的一種新型光子集成方式和解決途徑。纖維集成光學(xué)帶來微型化、高精度、高穩(wěn)定、多功能、可批量化制造等優(yōu)點，為滿足社會與工業(yè)信息化、國防和武器裝備智能化等需求提供了一種有效的技術(shù)支撐。

平面光子集成芯片技術(shù)正在成為各國發(fā)展光子產(chǎn)業(yè)的重要關(guān)鍵技術(shù)。如何突破平面光子集成關(guān)鍵技術(shù)的壁壘，是困擾集成光學(xué)發(fā)展的一個瓶頸問題。多功能化、小型化、集成化器件已成為未來發(fā)展的重要趨勢。盡管平板基底器件一直在光通信系統(tǒng)中扮演著最主要的角色，但就某些特定的功能而言，光纖波導(dǎo)器件具有平板基底器件難以比擬的優(yōu)勢，在某些應(yīng)用場合甚至具有不可替代的作用——采用微結(jié)構(gòu)光纖的光纖波導(dǎo)器件將更是如此。

因此，在新一代光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中，光纖集成光子器件必將占有一席之地，“光纖集成光子器件”將是新一代信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著智慧城市、數(shù)據(jù)中心、云計算的高速發(fā)展，信息的獲得與傳輸需求劇增，如何滿足這些多樣化的傳感需求，也為新一代光纖光子集成器件的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。

因此，本文所倡導(dǎo)的在特種微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)進行光子集成的方法，是探索如何開拓三維光子集成技術(shù)的一種嘗試。其核心是以光纖為基體，構(gòu)造三維空間光器件集成體系，將較復(fù)雜的光路和各種光學(xué)元器件微縮集成到一根光纖內(nèi)部。光纖集成光學(xué)的目的是實現(xiàn)基于光纖的光學(xué)器件的小型化，使光學(xué)信息傳輸、傳感、交換和處理器件更加緊湊。

期望這一新興的技術(shù)能在光通信領(lǐng)域、光感測領(lǐng)域、人工智能、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。借助于特種光纖和先進的微加工技術(shù)，按照新的物理觀點將各種功能器件重新進行安排，通過將這些元器件或系統(tǒng)“集成”在一根光纖中，以形成具有多種功能的光纖集成光子學(xué)器件，開辟一種有別于硅基單片光子集成、混合光電集成之外的新型光子集成方式和解決途徑。

審核編輯：劉清