西北工业大学毛东课题组LPR：超构表面光纤集成的新范式！

近日，西北工业大学毛东课题组提出了一种全新的超构表面光纤集成范式——侧壁集成超构光纤（Sidewall-integrated metafiber），开发了侧抛光纤上集成超构表面的原位制备方法，实现了基于长程倏逝场相互作用机制的线性和非线性光学响应的显著增强，并通过被动锁模光纤激光应用证实了其鲁棒性和优越性。该研究成果以“Planarized sidewall-integrated metafibers for enhanced evanescent field interaction via long-range resonant near-field coupling”为题，发表于《Laser & Photonics Reviews》期刊。论文第一作者为西北工业大学曾超副教授，共同通讯作者为毛东教授和孙延笑副教授，该工作还得到了甘雪涛教授、赵建林教授的悉心指导。

光学超构表面（Metasurface）作为人工设计的亚波长结构二维阵列，在对光的振幅、相位、偏振、频率等参量进行精密调控方面展现出了强大能力，被视为下一代多功能平面光学元件的基石。将超构表面与成熟的光电子平台进行集成，是最大限度地挖掘其应用价值与潜力的必由之路，现已成为当前的研究热点。例如，将超构表面与光纤集成，为光纤器件的性能增强和功能多样化带来了新的机遇。目前，基于光纤尖端集成（Tip-integration）技术，光束准直/聚焦、结构光生成、高灵敏度传感以及内窥成像等多种先进功能已陆续实现，逐渐发展出了“超构光纤（Metafiber）”这一新的研究分支。

然而，由于光纤尖端（横向）和超构表面（纵向）尺寸极为微小，光纤导模与超构表面之间的相互作用（穿透式）区域被限制在微米级。这一基本局限严重限制了尖端集成超构光纤（Tip-integrated metafiber）在需要强的光与物质相互作用的特定场景中的适用性，例如非线性光学和高灵敏度传感等领域。相比之下，光纤侧壁（如侧抛光纤、微纳光纤、拉锥光纤的表面）能够借助倏逝场实现厘米级的相互作用长度。因此，沿着光纤侧壁（传输方向）进行大规模的超构表面集成，可为突破尖端集成框架的固有局限提供一种优异的解决方案。但是，将平面超构表面集成到非平面、高纵横比且易碎的光纤侧壁上，仍然面临着工艺方面的挑战。此外，倏逝场与超构表面的相互作用规律和机制目前尚不明晰。

研究亮点

本研究首次提出光纤侧壁集成超构表面架构，通过光纤-基底平面化策略解决了光纤侧壁与标准平面微纳加工平台的不兼容性难题，实现了大面积、高保真金纳米棒超构表面在光纤侧壁的原位制备。进一步，运用有限元法和本征模展开法，模拟发现了超构光纤中存在显著的倏逝场增强现象，并构建了长程共振近场耦合驱动线性和非线性光学响应累积放大的物理模型。最后，他们通过设计制备1cm长金纳米棒阵列超构光纤，实现了低饱和强度、低插损、可变调制深度的全光纤可饱和吸收体器件，并将其应用于全光纤激光器中，在全色散区域实现了超低阈值孤子锁模，证明了该方案在增强非线性光学效应方面的优势与潜力。

该工作打破了“尖端集成”在超构光纤领域的主导地位，构建了一种新颖的“侧壁集成”范式，重塑了超构光纤的研究格局。另一方面，该工作为光纤侧壁上原位制备金属超构表面提供了一种通用方法，有望为光纤上实验室（Lab-on-fiber）技术的发展创造新的机遇。

图1 侧壁集成超构光纤的概念图和光学图像。(a)超构光纤的3D概念图。通过光纤-基底平面化策略直接在侧抛光纤上集成超构表面。(b)超构光纤的侧视图。光纤导模（TM和TE模式）的倏逝场与超构表面相互作用。(c)超构光纤器件实物的光学图像。超构表面（0.15 x 1 cm²）完全覆盖侧抛光纤的整个相互作用区域（124 μm x 1 cm）。

图2 超构光纤的制备工艺流程及形貌表征。（a）通过将光纤嵌入0.7 mm厚V形槽石英片并精密研磨实现光纤-基底的平面化和一体化，获得具有平坦界面的光纤-基底平面组件。（b）基于EBL和Lift-off工艺的光纤-基底平面组件上金纳米棒阵列超构表面的原位制备流程。（c）超构光纤的SEM图像。

图3 超构光纤的仿真模型及结果。（a）基于有限元法的模式分析二维仿真模型。（b）基于本征模展开法的传输分析三维仿真模型。（c, d）侧抛光纤界面中心点处的相对电场强度随耦合距离（d−r）的变化情况。（e, f）侧抛光纤横截面的电场分布。（g）不同相互作用长度（IL，即超构表面的长度）下超构光纤的吸收谱。（h）峰值吸收率随相互作用长度的变化情况。

图4 超构光纤可饱和吸收体的设计、制备与表征。（a）不同相互作用长度下超构光纤的吸收谱。（b）超构光纤的共振吸收波长与金纳米棒几何尺寸的关系。（c）超构光纤的SEM图像。（d）线偏振导模的电矢量与超构表面之间关系的示意图。（e, f）典型偏振角下超构光纤的非线性吸收曲线。（g）调制深度（）、非饱和损耗（）及线性插入损耗（）与偏振角的关系。（h）饱和强度与偏振角的关系。

图5 基于超构光纤可饱和吸收体的光纤激光器结构示意图。LD：激光二极管；WDM：波分复用器；EDF：掺铒光纤；PI-ISO：偏振无关隔离器；OC：光耦合器；SMF：单模光纤；Metafiber SA：超构光纤可饱和吸收体；PC：偏振控制器。

图6 全色散域孤子锁模光纤激光的典型特征。（a-d）传统孤子的光谱、脉冲序列、频谱和自相关轨迹。（e, f）色散管理孤子的光谱和自相关轨迹。（g, h）耗散孤子的光谱和自相关轨迹。（i-k）三种孤子的输出功率与泵浦功率的关系。

总结与展望

本研究提出了在侧抛光纤上集成超构表面的全新范式，并展示了其在增强线性与非线性光学响应方面的显著优势。这一成果标志着超构光纤集成范式发生了转变——从光纤尖端到光纤侧壁。除了本研究已证实的高性能可饱和吸收体外，侧壁集成超构光纤平台具有高度的通用性，在未来有望拓展应用到众多领域，例如超快光开关、高灵敏度分布式传感以及光纤-空间光场调控等。将低损耗全介质超构表面、高非线性超构表面与侧抛光纤进行集成，有助于进一步降低损耗、提升非线性效率，以及开发新型的超构光纤功能器件。此外，在微纳光纤的圆柱侧面集成超构表面，代表着未来研究中一个充满前景且极具挑战性的方向。

本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、陕西省技术创新引导专项等项目的支持。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202502639