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|作者：苑立波
(桂林电子科技大学光电工程学院)
本文选自《物理》2023年第3期
摘要 光纤集成光学和离散光学有望成为光子学集成的一个新分支。这种集成技术可以通过离散的方法方便地在一根光纤中控制和操纵光波，也为集成光学与离散光学的研究提供了一个灵活方便的平台，为微光子器件和系统集成提供了一种有效的方法和手段。文章简要总结了在光纤内实现光学器件集成和微光学系统集成的主要思想和关键技术，探讨了离散光学需要考虑的核心内容，为该方向的进一步发展提供了若干前期的研究基础。
关键词 光纤，微结构光纤，集成光学，离散光学
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引 言
集成技术在微纳光学和光子学领域发挥着越来越重要的作用。集成光学始于1969年贝尔实验室的米勒博士，为了将宏观上光学实验平台搭建的光路与光信号处理系统应用于实际的场景中，必须将其微缩集成在一块平板基片上，为此他提出了集成光学的概念[1]。于是人们开展了以介电材料为基片的集成光学系统的研究。1972年，Somekh和Yariv进一步提出了在同一半导体衬底[2]上同时集成光学器件和电子器件的想法。从那时起，研究人员就开始利用各种材料、不同的制造方法来制造集成光学器件和光电混合集成器件。
近年来，平面光子集成芯片技术正在成为各国发展光子产业的重要关键技术。尽管平板基底器件一直在光通信系统中扮演着最主要的角色，特别是近年来迅速发展起来的硅基光子集成技术，由于与CMOS技术兼容，日益成为光电子集成发展的主流方向之一。但就某些特定的功能而言，光纤波导器件具有平板基底器件难以比拟的优势，在某些应用场合甚至具有不可替代的作用，采用微结构光纤的光纤波导器件更是如此。因此，在新一代光通信系统和网络中，光纤集成光子器件必将占有一席之地，成为新一代光信息技术发展的重要方向；另一方面，随着智慧城市、5G技术的发展，物联网、云计算的应用，特别是未来6G技术和元宇宙的发展新趋势，信息的获得与传输需求剧增，特别是数据中心的信息交换与短距离的信息传输呈现出指数式的增长。如何满足这些多样化的传输与感测的需求，也为新一代光纤光子集成器件的发展提出了新的挑战。
为此，本文概述了以折射率导引型(以高折射率介质作为光波传输区域，低折射率介质作为光波传输包敷区)特种微结构波导光纤作为基础，在光纤上进行光子器件集成的方法。其核心概念就是以光纤作为圆形衬底材料，构造三维立体光器件集成体系，将较复杂的光路和各种光学元器件微缩到一根光纤内部。目标是将传统的光学元器件和系统微型化，并按照新的物理观点将这些元器件或系统“集成”在一根光纤中，以形成具有多种功能的光纤集成光子学器件。这种集成技术，一方面为微光学器件提供了一种新型光路集成方式和解决途径，可获得具有不同功能、不同集成度的纤维集成微缩光纤器件，从而实现光子学信息处理系统的集成化和微型化；另一方面，集成在一根直径仅为125 μm的光纤中的紧邻器件之间也构成了一个相互影响的光学系统。而离散光学就是研究分立的光路和器件及其相互关系与相互影响的光学分支。离散光学系统是指由有限个不同的光路与分立的光学元件构成的光学系统。因此，纤维集成离散光学系统就是研究如何在一根光纤中构建这些彼此分立的光学器件；如何通过各个光学单元之间的空间结构的变化实现彼此的影响；通过什么方法改变和调控这些离散光学器件及其光场相互作用的关系；从这些相互影响的结果中能够获得哪些可资利用的功能与效应。这些构成了本文进行探讨的另一部分内容。作为光纤集成光学系统的典型应用，本文给出了一个可实现三维形状传感的案例来加以说明，该应用是借助于集成在一根多芯光纤的多光路与多光纤光栅的微光学系统实现的。
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光纤中的集成光学
2.1 光纤中进行光学集成的基本思路
我们知道集成光学概念的发展是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法，研究和发展起来的光学器件集成系统。1978年K. O. Hill提出了光纤光栅的概念，首次将反射镜或滤波器写入光纤[3]，开拓了将光学无源器件集成到光纤中的先河。借助于光纤光栅，人们发展了集成在光纤内的F—P干涉仪。另一方面，为了提高光通信传输信道密度，1979年提出了在同一根光纤中放入多个光信息通道的多芯光纤的概念[4]。多芯光纤技术在早期光通信实际应用过程中遇到了两个主要的问题与难点：一是多芯光纤互连与接续十分困难；二是多芯光纤各个纤芯之间的长程串扰严重。随着波分复用和密集波分复用技术的发展与日趋成熟，多芯光纤解决密集信道通信的方案越来越失去了其优势。近年来，随着信道容量扩展的需求迫近，在一根光纤中的空分复用的多芯光纤技术又被重提，发展了多芯光纤芯间隔离技术[5，6]和多芯光纤分路连接技术[7，8]，新的光纤制造技术的发展为多芯光纤通信注入了新的活力，已经成为未来解决光通信扩容的主要途径之一。
事实上，为了尝试并探索是否能够以光纤为基体衬底材料，将若干光学器件与光路微缩集成在同一根光纤中，需要尝试的就是把直径为125 μm的石英材料作为基础材料，将具有不同功能、不同集成度的光学器件微缩安排在同一根石英纤维的内部，这就是所谓纤维集成光学器件与系统的构想。目的是尝试采用石英光纤预制棒的灵活多变的组合技术和石英光纤的拉制办法，形成一种将较为复杂的光路与器件在光纤内的集成新方法，以实现光学信息处理系统的集成化和微型化。通过这一新颖的集成技术，可以将多种单一功能的光器件微缩集成在一根光纤中，也可以进一步将单元功能器件再次集成，构成功能复杂的微系统。通过与外部的标准光纤连接，构成新一代特种微型纤维集成器件。它可使微型化和集成化光学元件进入一个紧密功能的系统中，使新一代微型纤维集成光学器件的性能大大提高。
与远程光纤通信不同，纤维集成光学器件多数情况下关注的不是远传，而是集成在光纤中短距离波导自身及其与周围的波导之间的相互作用，同时也关注光纤内部波导与光纤外部周围物质之间的相互作用。这些相互作用常常是来自光纤端或者是光纤侧面光场与其他物质的相互作用。在某些特殊情况下，纤维集成光学也关心长程传输特性及其与周围环境之间的相互作用，例如：基于多芯光纤的空分复用光通信、远程多光路分布式干涉测量等应用就属于这样的特殊情况。
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