南京大学徐飞团队：光纤集成器件— “融合之光”开启光纤应用新机遇｜专题封面

发布时间：2026-05-08来源：爱光学

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针对传统光纤材料和结构的局限，以及典型光纤器件尺寸、插损和功耗的瓶颈，光纤直接集成的光电子器件在近年迎来了蓬勃的发展，构建了各式各样的“纤上实验室”（LOF）。封面展示了光纤集成器件丰富多样的集成方式，包括微光纤集成、D形光纤集成、微结构光纤集成，以及光纤端面超表面与光电子器件集成，能够适应广阔的应用场景。通过充分利用光纤内的多种集成维度，开发相应工艺，借助多样化的材料与结构实现各类功能，继而助力各类极端场景下的光电探测、激光、传感和调制等应用，在实现高性能、多功能微型化系统方面具有巨大的潜力。

全文链接：丁梓轩, 熊毅丰, 刘瀚文, 汪国瑞, 邢欢, 徐浩天, 李烁, 徐飞. 融合之光：光纤集成器件前沿与展望（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2026, 63(7): 0706001.

研究背景

自问世以来，光纤推动了通信、传感、激光和成像等多个领域的快速发展。光纤独特的小尺寸、超高纵横比、高机械强度、抗电磁干扰能力和良好的生物相容性，使其能够应用于多样化场景。近几十年来，种类繁多的光纤器件相继问世，以满足各类细分领域的需求。然而，一方面，传统光纤的材料（通常是SiO₂）和几何结构都具有明显的局限性，阻碍了光纤器件功能的进一步拓展；另一方面，传统光纤器件的特征尺寸往往较为宏观（厘米及以上），一些器件需要在波导和空间之间进行耦合，或者以串/并联的方式并行使用，这些都导致了光纤链路变得复杂低效，光损耗和设备功耗居高不下。

为了适应全球光网络系统降低功耗、提升鲁棒性的迫切需求，将光纤器件小型化和多功能化势在必行。近年来研究人员尝试将不同的材料和结构直接整合到光纤中，提出并发展了各式各样的光纤集成的光电子器件，构建“纤上实验室”（LOF），从而推动了光纤从单一传输介质向复合功能载体的进化。LOF技术重点关注对现有商业光纤的改性和加工，包括进行微电子集成和功能材料组装，以扩展其光子和光电应用。

近年来，在充分创新器件设计和制备工艺的基础上，各类面向细分领域需求、技术指标突出的光纤集成光电子器件百花齐放，从激光器、探测器、调制器等有源器件，到耦合器、滤波器、起偏器和传感器等无源器件，光纤集成器件为光通信与互联、高性能传感系统、量子信息技术以及人工智能与计算等应用提供了重要的核心器件保障。南京大学徐飞教授团队围绕当前光纤集成光电子器件的技术基础、功能器件及其未来展望撰写了相关综述，总结了光纤集成器件的材料体系、集成方式和制备工艺，依次介绍了各类核心的光纤集成光电子功能器件、应用场景和最新研究进展，并提出了构建多功能LOF光纤集成器件所面临的挑战和未来战略机遇。

光纤集成材料体系

光纤集成器件的材料体系以商业化标准光纤的熔融二氧化硅为核心，通过集成金属、聚合物和二维材料构建微纳结构，以实现多种多样的功能。集成金属可以获得微电极与表面等离激元结构；集成特种聚合物可以实现双光子聚合3D打印和电光调制；而根据目标场景选择集成石墨烯、过渡金属硫族化合物或者黑磷等二维材料，则可以实现不同波段、不同效果的光探测、光调制与光学非线性激发。

光纤集成工艺

3.1 光纤集成方式

根据光-物质相互作用的方式进行分类，光纤集成方式主要包括两种类型，即端面集成和侧面集成。如图1(a)所示，光纤端面集成是指在光纤端面这一微观平面上集成功能材料和结构。切割后的常规商用光纤端面尽管直径仅有125 μm，但为微纳器件提供了一个本征的光耦合平台，既能保持近自由空间的操作，又能实现长程和自对齐的光路，具有体积小、插入损耗低的特点。侧面集成也可称为波导集成，其基本思路是沿着光纤中光传播的方向布置功能材料或结构，这意味着光-物质相互作用的强度取决于沿导波方向的材料/结构尺度，相较于端面集成，确保足够的作用距离，因此通常具有更大的调制深度。侧面集成利用到的波导耦合结构主要有三种，即D形光纤、微光纤和微结构光纤，如图1(b)-(c)所示。

图1 光学集成方式示意图。(a) 端面集成；(b) D形光纤侧面集成；(c) 微光纤侧面集成

3.2 集成器件制备工艺

光纤集成器件的制备与实现离不开具体的加工技术，主要分为两个方面，一是对光纤这一核心载体的加工工艺，二是将功能性材料和结构整合进光纤的集成工艺。

光纤加工技术自光纤诞生起就相伴而生，并随着光纤的产业化而逐步精密化、标准化，成为现代光通信网络扩张的基石。这些工艺包括了光纤的切割、熔接、刻蚀和抛磨等经典操作，往往具有成熟的工艺标准和专用的加工设备。而随着光纤器件需求的多样化，一些特种加工工艺也得到了探索，并有望走出实验室，发挥更大的价值。这些先进工艺包括微光纤制备工艺，激光切割、焊接工艺，以及飞秒激光直写工艺等。

图2 光纤集成技术。(a) 光纤集成简单双电极结构；(b) 光纤集成堆叠和套刻结构；(c) 光纤集成阵列结构；(d) 面向光纤端面光刻的对准曝光工艺；(e) 光纤集成电子束光刻工艺；(f) 光纤集成材料转移工艺；(g) 用于光纤集成的飞秒3D打印装置示意图

光纤独特的形状决定了光纤体系内的光电集成需要做出针对性的制造策略优化。这些策略可以分为两种主要技术方法。第一种方法侧重于通过优化的兼容技术，在光纤端面/侧面直接制备复杂微结构并转移功能材料。该方法紧凑且可靠，同时最大限度地保留了光纤的柔性，但针对其的专用工艺设备较为匮乏，且由于缺少用于批量生产的标准光纤夹具，制造效率和批量重复性均较为有限。在第二种方法中，复杂结构和功能材料首先使用标准平面纳米技术在平面芯片上制造，因此具备批量生产的潜力；该方案的主要挑战在于如何确保完成的结构牢固地粘附在光纤端/侧面并与纤芯精确对齐，从而实现高效的光-物质作用。近年来已经提出并发展了多种用于光纤表面直接加工的LOF技术，如图2所示，包括机械加工、聚焦离子束（FIB）刻蚀、光刻技术和材料转移方法等典型技术。对于有源光纤器件，关键的制造工艺包括设计电极结构的图案化以及功能光电子材料的精确转移。

核心功能器件

从工作特性出发，光纤集成器件可分为有源（主动）器件和无源（被动）器件。其中有源器件包括光纤集成的激光器、调制器和探测器，而无源器件则包括耦合与传导器件、谐振与滤波器、偏振器件、可饱和吸收器件以及传感器件等。

4.1 有源器件

在激光器领域，将增益介质、谐振腔及功能性元件一体化整合入单根光纤之中的光纤集成激光器引发了研究者的兴趣。这类功能完备的“器件级”激光光源代表了光纤激光技术在维持了高性能的同时，向高集成度和微型化演进的趋势，如图3(a）所示。在调制器领域，光纤集成的全光（图3(b)）、电光、热光、声光、磁光以及弹光调制器也都大放异彩，通过操控外场，将信息编码到光束中。在光探测器领域，新型半导体材料的发展，尤其是低维材料，为实现全光纤光电探测器带来了新的可能性；为了进一步提高集成度，研究者们尝试将传统的功能性光电组件压缩成单一紧凑结构，以改变现有的离散光学系统模式，为下一代多功能光电子光纤集成设备铺平道路（图3(c)）。

图3 光纤集成有源器件。(a) 单光纤集成双光梳激光器；(b) 微光纤-石墨烯立体集成偏振全光调制器； (c) 基于转角黑磷范德华堆叠的光纤集成偏振探测器

4.2 无源器件

光纤集成的无源器件同样具有广泛的应用场景。例如，利用飞秒双光子聚合3D打印工艺或者其它微加工技术在光纤端面制备超表面或微透镜，可实现高效的模式复用和解复用器，以及准直耦合器的制备；借助光纤微环、Sagnac环、FP腔或光纤光栅，可以构造出各种波长、带宽和自由光谱程的滤波器；利用集成金属、黑磷等强各向异性二维材料，或者通过光纤端面集成超表面，可以实现多种功能的光纤集成偏振器件的制备；此外，利用二维材料或其他活性物质，可以开发各种用于物理和化学检测的光纤集成传感器方案，实现基于敏感光电子材料的传感，基于MOEMS/NOEMS的传感以及光电化学传感。

随着电池智能管理系统的需求日益增长，传统基于电池电压、电流和表面温度的监测手段难以实现对电池内部电化学反应、枝晶生长、电解液老化等问题的原位实时精准监测。光纤集成传感器凭借其体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、可分布式测量等优势，成为电池原位监测的理想方案。

图4 光纤集成无源器件。(a) 光纤端面集成超表面模分复用器；(b) 柔性可穿戴的压力敏感型微光纤结形谐振器； (c) 微光纤线圈谐振器集成石墨烯起偏器；(d) 光纤端面集成光电化学传感器

总结与展望

光纤集成光电子器件正以前所未有的活力拓展着光通信、传感和计算的边界。然而，在其从实验室走向大规模商业化应用的道路上，依然存在着诸多亟待攻克的技术壁垒，包括损耗、集成密度、工艺标准化等；同时，新技术的涌现，如先进封装、逆向设计、智能制造等，也描绘了更为广阔的发展蓝图。

展望未来，光纤集成光电子器件正站在一个充满机遇与挑战的十字路口。通过多学科、多材料的深度融合，借助智能化、标准化的制造手段，我们有理由相信当前面临的挑战将逐一被攻克。这一束“融合之光”必将穿透技术的壁垒，照亮一个更加智能、互联和可感知的未来，在从通信骨干网到人体毛细血管的广阔空间中，发挥不可或缺的作用。

通信作者简介

徐飞，南京大学现代工程与应用科学学院教授，江苏特聘教授。获得国家基金委“杰出青年基金”，“优秀青年基金”和教育部“新世纪人才计划”等资助。SPIE Fellow, Associate Editor of IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology and Optics & Laser Technology(Elsevier), Editor of Results in Optics(Elsevier)等，主要从事光纤器件、光学测量与成像等相关领域的研究，目前共获得授权发明专利50项（含3项国际专利）,共发表SCI论文180多篇和英文专著章节9篇，主编专著1本，相关成果获2020年江苏省科学技术一等奖和2024年光学工程学会科技进步二等奖等。培养的研究生多人次获得王大珩高校学生光学奖、中国光学学会光学优秀博士学位论文等。

课题组主页：https://fiilab.nju.edu.cn/