走向纳米尺度的下一代光纤

    由于具有很大的瞬逝场和很高的光学非线性系数，由光纤拉制而成的纳米光纤非常适合于光学传感和其他器件。其标准尺寸的光纤端头可以很容易地实现光的输入输出耦合。

作者：Gilberto Brambilla

图1. 通过扫描电子
显微照片显示了由
标准通信光纤制造
的半径为30nm和
50nm的两根纳米丝。

    近几年，纳米科学和纳米技术引起了人们的极大兴趣，这是因为当材料以纳米尺度构造时会表现出一些新奇的特性。在过去的二十年中，人们采用广泛的技术已经用多种多样的材料构造出了纳米丝和亚波长丝，这些技术包括电子束刻蚀、激光消融、模板法、气相-液相-固相技术、物理或化学气相沉积和溶胶-凝胶法。

    尽管以前利用二氧化硅曾经制造出过光学纳米丝，但它们大多数沿长度方向都具有不规则的形状。表面粗糙和长度方向的不均匀性似乎限制了本应很容易达到的损耗水平，从而也限制了它们在光学上的应用。

    纳米丝也可以通过光纤拉制而成，这个过程可以实现非常低的表面粗糙度和很高的均匀性。这些纳米丝的低光学损耗为大量新兴光学器件在通信、传感、生物以及化学领域的应用开辟了新道路。

    光纤纳米丝由光纤通过绝热拉伸而成，并在输入和输出端保持原来的光纤尺寸，以便于与标准的光纤和光纤器件连接。这些光纤尾纤具有宏观尺寸，因此不需要应用于纳米范畴的昂贵仪器就可以对单根纳米丝进行操作。

    火焰烧蚀法

 
图2. 光学纳米丝
可以同时具有极小
的弯曲半径和可以
忽略的光学损耗；
在上面所示的微线
圈谐振腔中，弯曲
半径大约是45祄，
这比传统通信光纤
可能达到的弯曲半
径小近千倍。

    在过去的四年中，由光纤制造的纳米丝技术已经建立了一种可靠的生产方法来获得足够低的损耗，以满足光纤器件的应用需求。一种叫做“火焰烧蚀”的技术可以制造具有最低测量损耗的最长、最均匀的纳米丝。火焰烧蚀技术开发的初衷是用于制造光纤锥和耦合器，其制造过程是让一小团火焰在一段被拉伸的光纤下面移动，通过控制火焰的移动和光纤的拉伸，能够以极高的精度确定光纤锥的形状。

    尽管采用这种技术可以很容易获得直径在1μm范围内的光纤锥，但是制造半径为30nm的纳米丝却是一个很大的挑战，并且需要对处理温度和纳米丝周围的气流进行精确地控制。南安普敦大学的研究人员已经利用火焰烧蚀技术制造出由光纤拉制的迄今为止损耗最低、长度最长的纳米丝。由这种技术制造出的纳米丝具有极好的均匀性，纳米丝的长度是直径波动的数百万倍。目前已经制造出长度大于100mm的纳米丝，测量的光学损耗低至1dB/m。

    独特属性 
    光学纳米丝具有很多光学特性和机械特性。首先，它们具有极好的柔韧性，并且由于纳米丝的机械强度较高，因此它们可以很容易地被操做和弯曲。虽然通信光纤在弯曲半径小于10mm时就会产生相当大的光学损耗，但光学纳米丝可以做到在数微米的弯曲半径下仍具有相对较低的诱导损耗，因此可以实现几何形状复杂的高度紧凑器件（如图2）。其次，它们具有较大的瞬逝场，与所有的光都被限制在纤芯/包层的玻璃结构中不同，在光学纳米丝中透射功率的相当一部分可以在纳米丝物理边界以外的瞬逝场中传输。最后，它们具有较高的非线性系数。非线性过程很大程度上依赖于光强，可以通过高功率光源或小波导来增大光强。与传统通信光纤相比，光学纳米丝中的光束可以在较长的器件长度上被限制到比过去小100倍的区域中， 此可以在相对适中的功率水平上观测到非线性相互作用，例如超连续光谱产生。

图3. 在传统的石英
光纤中，光束束腰
随着光纤直径的减
小而减小，直到达
到一个最小值然后
再次增加。对于亚
微米半径的光纤而
言，光束束腰可以
比光纤半径大几百倍

    在这些特性中，大瞬逝场当然是实现传感器和器件最吸引人的特性。在亚微米区域，光纤的直径比在其中传输的光波长还要小；由于衍射，光不可能被限制在光纤中。相当一部分光功率在光纤物理边界的外部传输；当光纤半径接近100nm时，波长为1.55祄的光就会在很大程度上发生衍射，其光斑尺寸比光纤的物理尺寸大100倍（如图3）。换句话说，99%以上的光功率都在光纤的外部传输。

    因为瞬逝场存在于周围介质中，因此它可以用作化学传感器。直接将其镀上钯膜可以得到一个具有快速响应时间（小于10s）的卓越的氢传感器。尽管如此，相互作用长度仍受限于光学纳米丝的长度，其长度一般为几个毫米。把光学纳米丝本身缠绕起来，光就会限制在微线圈中，并且可以在到达输出尾纤之前环绕几千圈。这个特性扩展了器件的有效长度，因此使其与被测的化学成分的相互作用长度要长得多。比如，一个亚毫米直径的简单线圈可以具有超过1m的相互作用长度。与其他遇到非常大的输入/输出耦合问题的高Q值谐振腔相比，微线圈具有易于与其他光纤和光纤耦合器件连接的优点，因为它在尾纤末端具有标准光纤。

图4. 在光学纳米丝
传感器中，被分析
物在一个垂直通道
中流动并与纳米丝
的瞬逝场发生相互
作用。被分析物的
浓度由光纤输出光
强的变化来探测。

    化学与生物传感 

    由于光纤微线圈谐振腔具有很窄的谐振频率，从而可用于制造窄带滤波器和高灵敏度折射传感器，这引起了人们的极大兴趣。折射传感器是化学与生物传感器，它们通过测定折射率的变化来测量特定化学/生物混合物的浓度。在这些传感器中，高Q因数（或窄带宽）意味着较低的探测极限（被分析物的最低可探测量），大瞬逝场带来高灵敏度（折射率的单位变化导致谐振波长的漂移）。对于这种类型的传感器，小尺寸、高灵敏度和低探测极限是最为重要的指标。

    光学纳米丝非常适合于嵌入到低折射率材料中应用（见图4）。谐振腔线圈内部的大部分区域是空的，这形成了一个固有的流体通道将样品运送至传感器（不像大多数环形或微球形谐振腔），因此还需要一个附加通道。把光学纳米丝缠绕在一个可随意改变的棒上，然后涂上一层低折射率聚合物，再将棒移走就可以很容易地制成纳米丝微线圈传感器。不同的光学纳米丝尺寸和涂敷厚度，使这种传感器具有不同的灵敏度。测量结果显示，对于200nm的纳米丝尺寸和数十纳米的涂敷层厚度，探测极限可以低至10-7，这意味着它可以在一千万个溶剂分子中检测出一个被分析物分子。这比以前提出的任何一种传感器的灵敏度高10倍以上。

    光学操纵 
    操纵纳米丝表面的细胞和其他粒子是得益于大瞬逝场的另一个应用。研究表明，光梯度对于利用光镊捕获粒子极为有用。近年来，由于同时对大量粒子进行连续操纵成为可能，因此表面光学操纵引起了人们的极大兴趣。这项技术

图5. 间隔为1秒拍摄
的显微照片显示了沿
着光学纳米丝推进的
直径为3祄的微球体。
俘获在纳米丝表面的
粒子（a，b，c）由
纳米丝的瞬逝场推进，
平均移动速度为9祄
/s，其光功率为几百
毫瓦。

    在无菌环境中对大量细胞进行分类具有独特优势，而这在生物医学研究中是经常要用到的。

    在过去的几年中，已经报道了沿着由玻璃或氮化硅制成的波导方向推进粒子。然而，由于平面波导的固有特性，它们被局限于二维，只有小部分光在波导外部传输，并存在较高的插入损耗。光学纳米丝具有瞬逝场更大、三维灵活度以及插入和提取损耗低的优点（如图5）。

    光学推进可以解释为多种光学力的结果：梯度力驱动粒子形成强度梯度并把它们锁定在波导上，同时吸收和散射力在场传播方向上加速粒子移动。周围介质的粘滞阻力与推进力方向相反，限制了粒子的持续加速。粒子受到的光学力与它们表面的光强成正比。因此，光学纳米丝的大瞬逝场和良好的光源-波导耦合使之成为一个用于对粒子、细胞和生物分子进行操纵与分类的卓越工具。