面向智能光学平台的纳米膜光纤共形集成技术：增强光-物质相互作用与多功能器件创新

本文推荐了一种基于应变工程和表面能调控的通用策略，实现了金属、氧化物、半导体和聚合物等多种纳米膜在微光纤上的共形集成。研究人员通过微滴触发和毛细力驱动，解决了高曲率光纤表面材料难以紧密贴附的难题，显著增强了光-物质相互作用。该技术成功构建了传感器、调制器、滤波器和光电探测器等即插即用器件，为健康监测和片上光子计算提供了多功能智能光学平台。

　　

在集成光子学领域，光学纤维因其小尺寸、超高长径比和优异机械性能，成为光学通信、生物传感和可植入设备的核心载体。然而，纤维表面的大曲率（>10⁶ m^-1）导致多数材料难以紧密贴附，造成光-物质相互作用弱化和光学耦合效率低下，严重限制了多功能器件的开发。现有技术如三维打印、双光子聚合和飞秒激光加工虽能实现部分集成，但难以实现全方位共形包裹，且材料兼容性和模式匹配问题突出。

针对这一挑战，复旦大学材料科学系梅永丰教授团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种基于应变工程和表面能调控的通用策略，实现了多种纳米膜（nanomembranes, NMs）在微光纤（microfibers, MFs）上的共形集成。该技术通过预应变纳米膜的自卷曲行为和液滴触发的曲率自适应过程，实现了金属、氧化物、半导体和聚合物等材料的紧密包裹，显著增强了光-物质相互作用，并成功构建了传感器、调制器、滤波器和光电探测器等多功能器件。

研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   通过自制的火焰刷锥系统制备不同直径的微光纤；
2. 2.
   利用电子束蒸发和磁控溅射制备预应变纳米膜，并通过阴影掩模或光刻技术实现图案化；
3. 3.
   采用微滴触发和毛细力驱动实现纳米膜与光纤的曲率匹配和共形包裹；
4. 4.
   结合有限元分析（FEA）模拟光-物质相互作用和器件性能；
5. 5.
   利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和能谱分析（EDX）表征界面结构和元素分布。

增强光-物质相互作用的多材料共形微光纤

通过有限元分析发现，当纳米膜包裹角度超过360°时，光-物质相互作用强度可提高一个数量级。紧密共形接触对实现有效光-物质相互作用至关重要。研究展示了钛（Ti）、二氧化钒（VO₂）和硅（Si）等均质材料，以及钯/铬（Pd/Cr）、硅/碲（Si/Te）和SU-8/pNIPAM聚合物等异质结构在微光纤上的完全共形包裹，证实了该平台的广泛适用性。

基于应变工程和曲率自适应的共形策略

研究通过预应变纳米膜的自卷曲和液滴驱动的曲率自适应过程，实现了纳米膜与光纤的紧密贴合。透射电镜显示，纳米膜与光纤界面无间隙，纳米压痕测试表明其粘附强度可达18.1 mN。通过调节纳米膜厚度和光纤直径，研究确定了实现紧密包裹的临界参数，并建立了基于能量平衡的理论模型，预测结果与实验数据高度一致。

纳米膜在微光纤上的多结构设计

利用平面图案化技术，研究实现了方形、三角形和圆形等多种纳米膜结构在光纤上的共形包裹。通过调整纳米膜与光纤的相对角度（θ），可编程控制螺旋结构的螺距和层数。此外，研究还演示了阵列组装和逐层组装策略，实现了大规模微结构集成和异质材料的原位组装，展示了复杂三维结构的构建能力。

纳米膜包裹微光纤结构的光-物质相互作用模拟

模拟分析表明，当光纤直径约为10 μm时，模式场在纳米膜覆盖层中的比例最高，光-物质相互作用最有效。以VO₂纳米膜为例，其相变过程中的折射率变化（从3.0降至2.3）可有效调制光纤中的光信号强度，为温度传感和光学调制提供了理论基础。

纳米膜-光纤系统的光子和光电子应用

研究基于共形集成技术开发了多种功能性器件：

1. 1.
   温度传感器：利用VO₂的金属-绝缘体相变（MIT），实现了50–80°C范围内的光学功率线性响应，灵敏度达0.0862 dB/°C（加热）和0.0803 dB/°C（冷却）；
2. 2.
   波长调制器：通过金属纳米膜包裹的微环谐振器（MKR），实现了温度驱动的共振峰红移（0.34 nm/40°C），调制效率比无纳米膜器件提高三倍；
3. 3.
   长周期光纤光栅（LPFG）：利用周期性金属纳米膜结构，实现了波长选择性滤波，滤波深度随纳米膜数量增加而增强；
4. 4.
   光电探测器：采用碲/硅（Te/Si）纳米膜和金属电极结构，实现了对环境光（360–940 nm）和倏逝场的高灵敏度检测，响应时间约0.57 s（上升）和0.75 s（下降）。

智能光学平台的设计

研究进一步提出了由调制单元（可调MKR）、非线性单元（相变材料）和反馈单元（光电探测器）构成的智能全光纤系统，通过动态调制信号权重和非线性激活，展示了在光学计算和实时数据处理中的应用潜力。

该研究通过应变工程和表面能调控，实现了多材料纳米膜在光纤上的共形集成，解决了高曲率表面材料贴附的难题，显著增强了光-物质相互作用。所开发的智能光学平台不仅为光纤传感、通信和计算提供了多功能集成方案，也为可植入设备和健康监测应用开辟了新途径。未来，通过进一步优化材料选择和结构设计，这一技术有望推动下一代高度集成光子系统的发展。