光纤技术DIY：赋予创新与创造的自由
——红外与激光工程 (内封面文章·特邀)
作者：苑立波教授（开云(中国)光电工程学院）
文章链接：DOI:10.3788/IRLA20250052
封面解读
光纤及其器件就是光纤通信、光纤传感和生物医疗应用这个技术之树的根，持续为整个技术树提供着滋养，在很大程度上决定着该技术树的荣枯。从根技术的视角出发，我们看到传统的光纤与器件的大规模化工业化生产，满足了信息产业高速发展的需求，降低了价格壁垒，推动了光通信技术的迅猛发展，同时也推动了伴生的光纤传感技术及其应用领域的进步和繁荣。然而，从生物医疗领域需求来看，所需求的光纤与器件与传统的光纤技术有很大的不同，需要多种新的功能在光纤中集成，此外，还需要解决与各个应用端的多功能集成扇入器件（all-fan-in）的连接。
导读
光纤技术通过高速的信息传送和各地的互联互通实现了全球通信，伴生的光纤传感技术随之快速发展。如今，以其出色的性能、特有的灵活性、丰富的功能特点，光纤传感技术被广泛应用于多个领域。值得关注的是，特种光纤及其器件的研究对光纤传感应用的实现和扩展起到了至关重要的作用，而新兴应用提出的新需求又反哺光纤技术创新，形成双向驱动的技术生态。尤其在生物医学领域，光纤独特的物理和光传输特性使其成为生物传感器的理想组件，如图1所示。然而，每种光纤结构在生物医学领域的特定用途上都有优点和局限性，这成为持续推动特种光纤技术不断进步以满足新需求的源动力。
图1介入式光纤在体原位诊疗的典型应用示意图：(a) 采用单根无透镜多模或多芯光纤，通过任意病变部位的可介入式原位病变早期显微成像这一辅助手段，实现早期诊断与精准治疗；(b) 光纤探针实现介入式原位光谱探测应用原理示意图。
研究背景：
随着光纤技术在生物医疗领域应用研究的不断深入，对特种光纤的结构和功能都提出了新的需求：例如，除了具有感测与传输光信号的光通道外，人们还希望增加微流药液输入和体液获取的微流通道，以及实现电信号获取或电脉冲刺激的电极功能。为了应用方便，将上述功能全部或者部分集成到一根光纤上更是人们所期望的。然而，这样的多功能集成光纤还需相应的扇入扇出器件和光纤微加工工艺，才能实现各自功能与系统集成。
所谓根技术，是指那些能够衍生出并支撑着一个或多个技术簇的技术。光纤及其器件就是光纤技术及应用这个技术之树的根，持续为整个技术树提供着滋养，在很大程度上决定着该技术树的荣枯，如图2所示。从根技术的视角出发，我们看到传统的光纤与器件的大规模化工业化生产，满足了信息产业高速发展的需求，推动了光通信技术的发展，同时也推动了伴生的光纤传感技术的进步和繁荣。然而，从生物医疗领域需求来看，所需求的光纤与器件与传统的光纤技术有很大的不同，不仅要求多种功能器件的集成，还需要与之匹配的扇入器。传统大规模光纤制造方式，对于这个快速发展的新领域则难以适应其多样化和灵活性，加之高昂的实验成本，这在某种程度上阻碍了创新想法的尝试、抑制了自由探索的冲动。怎样才能打破这样的窘境，实现新型光纤与器件的灵活设计与制造？怎样解决传统的光纤制造技术既具有高度的专业化要求，又缺乏灵活性的矛盾？
主要内容与技术亮点
首先，生物医疗领域所需求的光纤与器件的特点可概括如下：1.结构上需要光纤具有紧凑性和柔韧性，实现光波传导通道、微流通道、电信号通道的高度集成；2.功能上需要既具有传统的传感与测量的功能，同时也兼顾光动力治疗、微流药物通道、电刺激治疗与电信号采集等；3.成本上，人们期望其实现较低的造价，开展更多的探索与尝试；4.针对生物医疗应用，多功能光纤的长度无需几十公里，数十米即可满足需求；5.对于研究者和技术人员而言，希望能自由得设计制造结构各异的光纤，并匹配一体化成型器件。图3给出了一种与介入式医疗导管类似的，具有多功能集成的扇入器件的医用光纤功能结构示意图。
图3 与多功能扇入器件互连的多功能集成医用光纤，该光纤将传统的波导光纤、纳米粒子药液输运毛细管、显微成像多模光纤、电极脉冲信号传输的金属电极等功能全部集成在一起
这种多功能医疗光纤的制备和功能化是本论文的讨论的核心问题。用于生物医学领域的特种光纤与传统的光信号传输光纤有着较大的差异，因此其制备过程与制备方法上也呈现出明显的差异性。首先按照功能需求对光纤结构进行反向设计（如图3末端光纤）；然后按照收缩比进行放大，来完成用于过渡的单模光纤、多模光纤、单孔毛细管等功能单元的设计（如图3各器件输入端）；接下来，拉制光纤包层及锥体结构所需要的多空石英毛细管预制构件；最后，将各功能光纤单元精密装配到多孔石英管中，形成特种光纤DIY预制构件，并使用下图4（a）所示的新型特种光纤DIY小型化的光纤拉丝设备制成数十米的多功能特种光纤及其匹配扇入器件，结构与图3类似。
图4（a）用于特种光纤拉制的实验室DIY系统照片；（b）多孔毛细管和实验室创新光纤DIY系统生产的特种光纤
该特种光纤DIY实验室系统的特点是其独特的加工方式，所生产的光纤能直接连带光纤扇入器加工制备，并通过石英锥体低损耗连接。结构上与拉锥型多芯光纤扇入扇出器类似，由尾纤、特种光纤和锥体三部分组成，锥体将特种光纤的通道与尾纤低损耗连接。从工艺上看，多芯光纤扇入扇出器是将多根尾纤集束后拉锥，再与多芯光纤熔接，而本特种光纤DIY系统的特种光纤器件是将多根独立光纤或毛细管进行精密装配，抑制插入损耗和串扰，一体化拉制成与集成式扇入器天然互连的特种多功能光纤。图4（b）为部分系统加工的特种光纤端面图。
除特种光纤外，各种类型的光纤器件在与生命科学相关的临床和生物传感器仪器中也得到了广泛的应用。本论文还将针对器件需求，围绕光纤透镜的制备、光纤扭转的需求、光纤侧面抛磨的需要以及各种多芯光纤或不同结构纤芯折射率分布的调整，介绍几种典型的桌面光纤器件DIY实验装置及其相关器件的功能与应用。
研究前景与展望
特种光纤的发明和发展推动了许多传感创新应用的激增，包括特殊结构、特殊材料光纤以及特殊器件的应用。在光纤技术及其应用领域中，实现交叉创新的激励有三个维度，如图5所示。我们认为在光纤技术及其应用的创新中，首先，应用与需求的维度是牵引力和驱动力；其次，光纤的功能与结构是为了满足需求的伴生创新维度，它通过对功能和结构的优化来完成设计，由光纤的制备得以实现；最后，光纤器件更是为了满足光纤系统整体功能的而需要完成的部件功能，可通过对相关的光纤进行二次加工制备而获得的。因此，在这个多维空间系统中，加工制造能力是实现上述创新的基础和保障。
图5 实现光纤技术及其应用创新的三个维度示意图
为了回应上述创新创造的迫切需求，本文概述了微缩型DIY光纤制造系统和一系列光纤器件制备的DIY加工制造桌面设备的工作原理和制造方法，特别适合于在实验室开展新型光纤与器件的设计与实验，不仅为研究者的创新创造开启了自由想象的空间，而且提供了较大的灵活性和制备的便捷性。为萌发的各种灵感提供了更多实现的可能，实现了在光纤技术及其应用领域从思想创新的自由走向实践创造的自由。
论文信息：苑立波,陈意坚,杨世泰,等.光纤技术DIY：赋予创新与创造的自由(内封面文章·特邀)[J]．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250052. DOI: 10.3788/IRLA20250052
原文链接：http://www.irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250052
