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光纤+超透镜--光纤集成超表面：多种光学应用的新兴平台，设计，应用和加工方式分析

2024/07/15

前问小编已经分享了一篇文章关于光纤端面加工超结构的几种方式，光纤+超表面--光纤端面加工超结构几种加工工艺分析及问题点本文我们将

1.介绍和总结光纤集成超表面与当前技术水平。

2.对基于光纤超表面的器件的应用场景进行了很好的分类和讨论，并简要解释了物理原理和设计方法。

3.总结并比较了各种光纤超表面对应的关键制备方法。

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光纤集成超表面：多种光学应用的新兴平台

摘要

近年来，超表面技术的出现彻底改变了光学和光子学领域，因为它能够在亚波长尺度上设计具有良好图案的纳米结构的光学波前。同时，受“光纤实验室”概念巨大成功的启发和受益，超表面与光纤的集成在过去十年中引起了人们的特别关注，这为“全集成”的发展建立了一个新颖的技术平台。-光纤”基于超表面的设备。因此，本综述旨在介绍和总结光纤集成超表面与当前技术水平。对基于光纤超表面的器件的应用场景进行了很好的分类和讨论，并简要解释了物理原理和设计方法。总结并比较了各种光纤超表面对应的关键制备方法。此外，还解决了光纤超表面的挑战和潜在的未来研究方向，以进一步利用基于超光纤的设备的灵活性和多功能性。相信光纤超表面作为一种新型的全能技术平台，将在电信、传感、成像和生物医学等领域得到广泛的应用。

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一、简介

自 20 世纪 70 年代首次展示低于 20 dB/km 的低损耗传输硅基光纤以来，光纤长期以来一直是一种成熟的介质 [1]。得益于其完美的光导、光量、化学惰性和抗电磁干扰等非凡特性，已经实现了无数基于光纤的应用，极大地改变了光学传感[2,3,4,5] , 6] 和电信行业 [ 7, 8, 9] 在过去的五年里。尽管光纤技术取得了巨大成功，但事实证明仍然存在一些挑战阻碍光纤设备的进一步发展。导模传播方向、振幅、模式轮廓、偏振态等光学特性在光纤拉丝制造过程后几乎不会改变。此外，输出传输光的发散性和光纤的色散也限制了在长距离传输系统中的实际应用。在这方面，最近的“纤维实验室”概念开辟了一条将传统纤维功能化用于多种应用（例如环境传感、生物医学、临床诊断[10,11,12]）的新途径，增强了由嵌入光纤端面的介电或金属纳米结构图案引入的光与物质相互作用。毫无疑问，光纤实验室范式极大地促进了新型即插即用“全光纤”设备的创建，这些设备可在各种应用场景中使用。然而，大多数传统纳米结构是由人造 3D 超材料（例如“超原子”）形成的。3D超材料的制造过程是劳动密集型且成本高昂的，这给实际光学应用带来了复杂性和障碍。

幸运的是，近十年来超表面技术的出现进一步给纳米光子领域带来了颠覆性创新。超表面基于超材料二维对应物的相位不连续性，可以灵活地设计入射光的属性（例如相位、振幅和偏振）。因此，许多应用激增，包括光束控制[13]、无像差聚焦超透镜[14]、偏振控制[15, 16]、全息术[17,18,19]和成像[20,21] 22]。受光纤实验室技术的启发，超表面在光纤上的集成作为光纤实验室领域的新里程碑，近年来引起了极大的关注。光纤的灵活性、生物相容性和机械鲁棒性使光纤成为与超表面技术相关的优秀平台，预计超表面技术将利用光纤技术的相关功能应用于现实世界场景。

本文在第一部分中明确阐明了超表面的基本物理和工作原理，为后续光纤集成超表面提供了理论基础。随后，根据光纤超表面器件的具体设计方法和应用场景，对光纤超表面器件的最新应用进行了相应的分类和全面讨论。此外，还提出了相应的光纤超表面制备技术，并比较了每种技术的优点。此外，还概述了光纤超表面领域的潜在挑战和未来前景，这可能为光纤技术和“平面”光子学之间的有效桥接提供一些线索，并具有大量具有高紧凑性、兼容性的潜在应用和效率。

2.超表面的基本概念和原理

超表面通常由天线阵列组成，这些天线阵列在空间上处于亚波长尺度，具有不同的几何参数。通过超表面传播的光将经历不同的空间光学响应，因此由相位不连续性（定义为与波长相比在一段距离上的突变相位变化）来成形。Yu和Capasso于2011年系统地论证了超表面的工作原理，引入相位不连续性的概念，制定了广义斯涅尔定律[13]。简而言之，超表面的工作原理可以从惠更斯原理的角度来解释：界面上的每个点都可以看作是一个独立的源，并生成一个球面小波，这些小波的干涉就产生了一个新的波前。对于规则的非结构化表面，入射光的传播方向没有变化。然而，在由谐振器阵列（例如天线、纳米柱、纳米砖等）组成的非均匀超表面的情况下，由于这些空间排列的谐振器的不同相位响应，波前将被重建，如图 1a、b 所示。为了进一步分析光与超表面相互作用的反射和折射现象，可以应用费马原理，指出两个无限接近的路径应具有零光学相位差（所谓的“静止相位”）。这些光路包括固有的传播相位和界面处引起的相位变化，如图 1c 所示。

因此，通过在相位梯度超表面上应用固定相条件，可以使用与相位梯度相关的附加项来扩展和推广斯涅耳定律，如方程（1）所示

其中 θ 和 θ 分别是折射角和入射角，n 和 n 是两种介质的折射率。恒定相位梯度表示为 dφ/dx，由谐振器的特定几何形状和空间布置决定。方程（1）还意味着折射光束可以任意定向。进一步，在n < n条件下，可满足并推导全内反射条件下的临界角为：

其中θ是反射角。从式（3）可以看出，反常反射不再等于入射角，这与常规镜面反射有很大不同。另外，式（3）表明存在一个临界角，超过该临界角反射光束就会消失，其表达式为：

从方程（1）-（4）可以看出，光操纵与构成二维超表面的光学谐振器引起的相位梯度密切相关。光学谐振器可以从广泛的范围中选择，例如介电谐振器、量子点、纳米晶体和等离子体天线。然而，应该注意的是，谐振器必须满足以下要求：（1）它们应该具有亚波长几何参数，以有限的传输损耗在亚波长尺度上排列。(2) 这些谐振器的相位调制应覆盖整个 2π 范围。(3) 超表面阵列上的散射光振幅应均匀且较大。Yu 和 Capasso 等人基于超表面的原理和物理学。成功地开创了各种基于超表面的平面光学元件，包括超透镜[24]、四分之一波片[15]、涡旋板[25]和用于涡旋光束生成的全息图[26]。特别是，在半导体激光器的小面上成功实施基于超表面的准直透镜来控制远场激光发射（例如，发散角[27]、输出功率[28]），这在超表面的生产方面显示出了有希望的进展- 集成设备。这对于推动光纤集成超表面具有很大的价值，因为在这两个平台中，光传播都被很好地限制在光波导中。

3. 光纤元器件的应用

由于超表面与用于波前工程的成熟半导体激光器平台的成功集成，有充分的理由表明超表面技术还可以为传统光纤带来新功能，从而推出新型全光纤器件和组件：(1) 超表面阵列可以很容易地在光纤的小面（例如纤芯的端面、D 形光纤的侧面）上形成图案，以与受限场或倏逝场相互作用 [29,30,31 ]。（2）光纤平台上超表面纳米结构的紧凑谐振器可以与引导光的电场或磁场产生强烈的相互作用，从而通过改变传输或反射特性来控制光阻抗。(3)具有高折射率材料的集成超表面能够调制导模的光学特性，包括相位、幅度和波矢。因此，基于光纤超表面的设备在过去十年中如雨后春笋般涌现，并已在许多战略应用中得到利用，从光学处理和通信到环境传感、生物医学和安全。下面，对光纤集成超表面器件的具体应用场景、设计方法和简要物理原理进行分类、回顾和讨论。

3.1.光束聚焦功能

光纤集成超表面最显着和重复报道的功能之一是光束，聚焦于光纤引导的基本模式。通常，为了将输入平面波前转移到聚焦球面波前，预先设计的超透镜的相位延迟应遵循双曲相位分布，表示为[32, 33]：

其中(x,y)为超透镜各晶胞所在的空间坐标，为设计焦距，λ为工作波长。为了实现目标双曲相位分布，可以考虑用于空间分布纳米柱的几种相位调制方法。根据入射光束的偏振灵敏度，相位调制方法可以分为两种类型：一种是传播相位调制[34]，其中相位差通过利用不同边长或直径的方柱体或圆柱体来映射。每个纳米鳍可以被视为一个波导，从而引入波导效应如下[35]：

其中n eff 代表基模的有效指数（HE 11 ），H是传播长度（纳米鳍的高度）。通过改变纳米鳍的直径，可以改变传播模式的有效折射率，从而可以在合适的纳米鳍高度下获得2π相位收敛[36, 37]。应该注意的是，对于这种相位调制，总是利用各向同性结构，用方形或圆柱形几何形状映射所需的相位轮廓。相比之下，另一种常用的相位控制方法是几何相位（也称为“Pancharatnam-Berry”相位），其中附加相位是通过各向异性旋转纳米鳍的特定空间取向（例如旋转角θ）生成的，以定制圆偏振波前。更具体地说，当圆偏振光入射到旋转角度θ的介电纳米鳍上时，复传输系数可以用琼斯矩阵[38, 39]表示：

其中 θ 是 x-y 平面（超透镜平面）中的旋转角度。R(θ) 和 R(−θ) 是 2 × 2 旋转矩阵。J 是晶体坐标中的传输矩阵。和是透射系数和结构相位延迟，其中下标 xx 和 yy 表示平行于 x 或 y 方向的入射光束的偏振方向。根据上式，圆偏振入射光束（E in = [1, ±i]）的输出透射场可表示为：

从式（4）中可以清楚地看出，输出电场由两部分组成，第一项是指不改变偏振态的同偏振输出光束，第二项是携带附加相位的交叉偏振（相反旋向）光束Φ=2θ，称为PB相。为了利用几何相位法实现2π覆盖，超透镜平面中每个纳米鳍的旋转角度应满足以下方程：

其中 φ (x, y) 是等式 (5) 中所示的所需相位。从式（9）可以清楚地看出，通过从超表面的中心到边缘连续径向旋转纳米鳍，可以平滑地获得完整的2π覆盖。需要注意的是，PB相位调制方法仅适用于圆偏振（CP）态的入射光，因此不可避免地存在偏振转换，这限制了光纤集成超表面的聚焦效率。为了最大限度地提高偏振转换效率，纳米鳍应通过调整纳米鳍的尺寸（长度、宽度等）来充当半波片[40、41、42]。

2019年，杨等人。首先报道了光纤平台与等离子体超表面的直接组合，用于从光纤输出端聚焦光束[43, 44]。在这项工作中，通过聚焦离子束（FIB）铣削，将圆形金超透镜直接图案化在大模面积光子晶体光纤（LAM-PCF）的面上。将单个蚀刻金纳米棒视为径向变化取向角（0-164°）的单元元件，使用CP入射的几何相位方法构建覆盖方程（5）所示的2π的双曲线相位轮廓。详细的光纤超透镜结构如图 2a-c 所示。

通过实验和计算模拟，所提出的具有两种不同数值孔径（NA）的LAM-PCF超透镜在1550 nm的入射RCP光上表现出良好的聚焦性能，焦距为30和50 μm。此外，由于聚焦点紧密且明亮，光强度增强超过 230%（见图 2d）。继 Yang 的工作之后，2020 年，韩国研究人员 Kim 等人。表明[43]中基于PCF的金属超透镜由于偏振转换效率和金属损耗低而导致工作效率低（~17%）。结果，金等人。提出了一种通过在光子晶体光纤顶部沉积非周期性硅（Si）纳米柱的全介电超透镜[45]。通过使用传播相位调整硅纳米柱的直径来实现聚焦效果。仿真结果表明，在焦距为30 μm时，介质PCF超透镜的聚焦效率提高至88%。尽管所提出的PCF元透镜的运行效率得到了提高，但是，这项工作中既没有提出新设计的光纤平台（PCF类型与[43]中报道的相同）也没有提出宽带聚焦。对此，2021年，Zhao等人。设计了一种定制的全玻璃 PCF 超透镜，用于输出引导光束聚焦 [46]。原理图如图3a、b所示。

赵等人。等人用掺氟玻璃棒取代了构成PCF包层的气孔，以降低纤芯和包层之间的折射率，从而提高了单模工作状态。设计的用于加载介电超透镜的 LAM-PCF 具有 50 μm 的大芯直径，是 [43, 45] 中使用的两倍。大核心尺寸支持更多具有更高分辨率的单位单元来调整相位分布，最重要的是，根据等式（5），允许更大的焦距。2π相位调制是通过使用传播相位调制方法改变TiO 2 纳米柱的直径来实现的。此外，作者还展示了所设计的LMA-PCF超透镜的宽带聚焦功能，覆盖了典型的“三通信窗口”（800-1550 nm），并且对不同入射波长的聚焦性能也进行了深入研究。仿真结果表明，定制的全玻璃LMA-PCF可以在宽带近红外范围内工作，具有稳定的高聚焦效率（~70%）和大焦距（~300 μm），极大地提高了光学性能。光纤内超透镜的聚焦性能。除了 PCF 作为集成扁平超透镜的基底外，单模光纤也被选为鞍状超透镜的合适候选者，以实现可见光或近红外波段光纤导模的短距离或长距离聚焦范围[47,48,49,50,51,52,53]，这对于长距离光通信系统的实际应用来说更容易实现。除了对这种光纤超透镜的聚焦特性进行广泛研究外，人们发现数值孔径（NA）也是影响光学性能的关键因素，因为较大的NA支持更高的光纤耦合效率。应用于大功率应用。对此，以提高NA为目的的光纤超透镜也得到了研究。最近，马蒂亚斯等人。提出了一种模型，通过无芯玻璃部分（扩展部分，图 4a、b）将单模光纤与等离子体元透镜相结合。通过插入扩展部分，通过光纤端传播的光可以扩展至 48 μm，从而大大扩大超透镜的数值孔径 (~0.3) [49]。在此应用中，采用了几何相位方法，将金纳米狭缝定向到不同的角度，以实现等式（5）所示的2π相位分布。使用巴比涅原理优化纳米狭缝的尺寸，以在所需波长 λ = 650 nm 处实现最大透射率 (T ~ 0.332)，从而得到 L = 140 nm，W = 60 nm。这种光纤超透镜概念将在许多领域得到应用，包括远程聚焦、光捕获、光束生成和高效光收集。

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图 4. (a) 镀金等离子体超表面与单模阶跃折射率光纤连接的示意图。(b) 包括光纤膨胀部分的接口结构示意图。(c) 焦平面中聚焦光斑的测量横向强度分布。经参考文献许可转载。[49]。版权所有 2021 WILEY-VCH。
在另一个光束聚焦的实际应用中，所制造的光纤集成超透镜是自适应的，并直接应用于激光光刻系统中进行光束路由[54]。圆形超透镜由光刻胶制成，具有由方程（5）定义的相位分布、焦距为8μm、近红外工作波长为980nm（见图5a、b）。

逆向设计是通过 3D 直写方法制造的 [55]。采用自制光纤聚焦超透镜作为物镜，直接集成到双光子激光写入系统中进行样品图案化（图5c，d）。事实证明，与商用直接激光写入系统相比，采用双光子激光写入装置的光纤元尖端具有更好的图案分辨率（~200 nm）。

3.2.光束路由功能

除了光纤集成超透镜的光聚焦功能外，光纤集成超表面实现的另一个典型功能是光束转向。该功能非常重要，因为它不仅可以灵活控制输出光束的传播方向，而且可以区分不同手性的入射光束，而无需使用笨重的光学元件（例如反射镜、波片）。值得一提的是，玛丽亚等人。2017年首次提出了具有相位梯度超表面的用于光束控制（偏转）的单模光纤超尖端[56, 57]。概念验证应用是通过任意偏转角度对发射波束进行波束控制。法向入射下的反常折射的偏转角可以由广义斯涅耳定律和方程（1）推导出来，可表示为：

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其中α是偏转角，n fiber 是光纤的折射率，γ x 是超表面平面中沿x方向的相位梯度。通过巴比涅反转等离子体超表面并调整矩形纳米孔的边长，反常偏转光束实现了2π相位覆盖[58]。相位梯度可由下式计算：

其中ΔΦ和l x 表示相邻纳米孔之间的相位差和距离。通过根据模拟的“查找”相位图改变纳米孔的边长（L 1 和 L 2 ），五个基于单模光纤的超透镜原型不同的相位梯度已经被制造出来。经实验验证，与入射光束交叉偏振的反常光束相应偏转11°至22°，如式（10）所示，所构建的光纤超尖端原型和光束偏转性能如图6a所示-F。

图 6.(a) 光纤元尖端示意图。(b) 等式 (6) 中描述的广义斯涅耳定律的图示。(c) 纳米孔作为在 x-y 平面上具有 45° 方向的晶胞。(d) 光纤元尖端 3 的模拟电场强度分布 (γ = 14960 rad·cm −1 )。(e) z = 8 mm 处测量的场强图。(f) y = 0 处的横向切割，比较测量结果（黑色实线）和模拟结果（洋红色虚线）。经参考文献许可转载。[57]。版权所有 2017 自然出版集团。

继 Maria 的工作之后，2018 年，Michael 等人。首先提出了采用模板剥离转移法的紫外光固化聚合物光纤内旋光仪（见图7a、b）[59, 60]。之所以使用金纳米孔作为晶胞，是因为模板剥离方法可以增强金属（包括金）和硅之间的粘附力，以确保纳米结构图案顺利转移到纤芯上。超表面由两个叠加的天线列光栅组成，这些光栅排列成某种图案，其中每列中的天线相对于相邻列中的天线旋转 90°，并且它们之间的间距。两列之间的距离设置为 λ* (1 + 1/4)（λ 是金天线的谐振波长），以散射与偏振相关的面内和面外光栅阶次。面外有序以与超表面平面 (λ = 1550 nm) 成 45° 角散射，并用于偏振测量。作者证明了自制光纤偏振计的有效性，因为光纤偏振计入射光束偏振态的测量结果与商业自由空间偏振计几乎相同。在线偏振计的集成代表了光学偏振计小型化的重要一步，而且对于控制光通信系统中的光偏振也很有用。

除了光束偏转之外，基于单模光纤（SMF600）超透镜还对光束准直进行了理论研究[61]。这项研究的主要特点是使用低折射率材料（聚合物，n = 1.52）来形成超透镜，以减少超表面/光纤界面之间的光阻抗匹配（见图8a、b）。更准确地说，高度均匀但宽度和长度不同（100-400 nm）的椭圆形纳米柱构造了具有2π相位调制的超透镜（如方程（5）所述），从而准直从光纤端输出的发散光束。研究发现，来自光纤端面的高度发散光束可以以 95% 的高效率紧密准直，同时保持高斯光束轮廓，光纤超透镜准直器的概念可能会在激光传输、生物医学和光学领域得到应用。成像。

鉴于上述应用，很明显，光纤与平坦超表面的卓越光导能力的结合为创建具有多尺度复杂功能的新型光子器件提供了前所未有的完善平台，这极大地促进了光子器件的发展。推进了应用于不同光学系统的多种光子器件的生产。

3.3.生物传感和成像功能

多个物理量的实时、准确传感一直备受关注。传统光纤作为多参数环境监测的成熟平台已得到充分探索。对于基于电磁共振的等离子体纳米传感器，无论是表面等离子体共振（SPR）还是局域表面等离子体共振（LSPR），增强光与物质的相互作用是提高其性能的最关键方法[62]。等离子体传感的增强可以通过纳米结构的优化设计或通过纳米颗粒生长调节等离子体来实现[63]。同时，利用相位不连续原理控制光特性的超表面技术的出现，为环境变量的传感和监测开辟了新的窗口。在不同的光纤传感平台中，基于光纤超表面设备的生物医学应用开始引起全世界研究人员的关注。

除了第 3.2 节中描述的梁偏转函数模型之外，Marial Principe 等人。已将他们的工作扩展到无标记生物传感的应用[56, 64]，其中纤维元尖端被命名为“原型5”，如[57]所示。从式（10）中可以看出，存在一个临界相位梯度，高于该临界相位梯度，入射平面波被驱动为表面波（渐逝范围，θ = 90°，掠射条件），如下所示：

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其中n是透射区域的折射率。为了最大化相位梯度，作者使用最少数量的蚀刻金纳米孔来获得最大相变 ΔΦ = π。考虑到生物实验（例如，RI为1.34的液体生物溶液）和工作波长（1400–1600 nm），边长（L 1 和L 2 ）优化以将谐振波长定位在工作范围内并满足掠射条件。图9a、b显示了光纤元尖端将异常传输光束耦合成表面波的示意图。巴比涅倒置等离激元相位梯度 MS，由在薄金膜中铣削的矩形纳米孔组成，放置在扁平光纤尖端上，假定将光纤芯（入射区域）和外部介质（液体生物溶液）分开）。作者通过观察相同局部折射率环境下纳米孔的等离子体共振波长偏移，比较了相位梯度超表面和无梯度超表面的表面灵敏度，实验结果表明，相位梯度超表面具有更高的表面灵敏度。灵敏度，由较大的波长偏移和增强的局部场增强表明。通过生物分子（链霉亲和素~几ng/mL）的实时高灵敏度监测进一步证明了相位梯度纤维超表面增强的表面灵敏度[65]。

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通过实施实时生物实验，相位梯度纤维元尖端能够检测生物素和生物素-链霉亲和素相互作用的轻微浓度变化，这通过较大的共振波长偏移来证明（图9c）。波长偏移被认为是无标记化学和生物传感应用中的重要参数。光纤元尖端的灵敏度增强得益于入射场与等离子体共振的耦合，从而产生更高的场增强。此外，作者还计算出了所提出的光纤元尖端的生物分子检测限 (3 nm/mL)，事实证明该光纤生物传感器优于当前最先进的光纤生物传感器 [66, 67 、68、69、70、71]。Hamid 等人报道了用于生物成像的光纤集成超透镜的另一个令人印象深刻的例子。来自哈佛医学院[72]。由硅柱制成的超透镜（290 × 290 μm 2 ）嵌入纤维内窥镜导管上（见图10a-d），并且可以响应变化的近衍射极限紧焦点到入射波长（λ = 1.31 μm）。这使得体内表面下组织（肺标本和绵羊气道）能够获得有效的高质量轴向移位成像，其中横向分辨率和高焦深得到了完美平衡。

显然，通过光纤集成超表面获得的生物医学应用为制造小型化即插即用光纤超表面设备开辟了有趣的途径。这些光纤元器件具有优异的光调谐能力、体积小甚至生物相容性等优点，可能在生物医学和临床领域找到大量的光学应用，包括实时生物参数测试、液体活检、癌症诊断和高通量测序等。-分辨率医学体内成像。

3.4.特殊光束产生的作用及其在光通信中的应用

由于超表面能够控制二维版本的光属性（相位、幅度、偏振、光阻抗等），因此它们无疑是具有特殊波前（涡旋光束、扭曲光束）的非传统光束整形和生成的有希望的候选者[25 、73、74]。当与光纤结合时，特殊光束的产生可以在各种光学应用中发挥重要作用，包括光纤通信、光束操纵和信息处理。2018年，赵一凡等人。首先展示了一种大芯光纤元尖端，用于从元尖端侧（OAM +1 ）和平面侧（OAM ）[75]。2π相位覆盖是通过在纤芯顶部明智地布置八个蚀刻金“V”天线阵列（d = 14.6 μm）并连续改变夹角θ和臂长L来实现的（见图11a，b），从而获得相移间隔为π/4。每个“V”天线的臂宽和单元横向周期固定为100 nm和1.4 μm。然后，等离子体超表面能够以交叉偏振态扭曲入射光，转换效率约为 9%。除了产生扭转入射光束外，还利用傅里叶变换方法通过倾斜干涉图重建了所产生的扭转光的相位轮廓，其宽带工作波长范围为1480至1640 nm，高相纯度超过90%。

本文提出的结果为光纤超表面带来了新的见解，因为生成的传播模式可以切实地应用于光纤通信系统。事实上，通过进一步考虑[75]中描述的原型，可以看出所创建的具有OAM±1的扭曲光可以进一步沿着光纤传播以进行光学数据传输。此外，用当前的超表面结构替换其他类型的光纤平台（例如少模光纤、多模光纤）也可以支持高阶 OAM 模式。这种光纤集成元器件将在高速和大规模光纤通信系统中显示出巨大的潜力，特别是那些使用OAM模式作为输入信号通道的空分复用（SDM）技术的系统[76,77,78] 、79、80、81、82]。用于生成结构光和光束整形的类似光纤元尖端可以在[83, 84]中找到。同时，应该高度重视周昌毅等人的开创性工作。2021年，他成功构建了基于单模光纤的全介电超表面[85]。这项工作克服了金属超表面结构遇到的固有欧姆损耗的缺点。受益于空间排列的硅纳米块的 2π 相位覆盖（图 12a、b），这种全介电纤维元尖端可实现两种不同的功能，即从 TE 偏振入射光束生成涡旋光束和 TM 偏振光束准直入射光束。基于所提出的光纤元尖端的偏振选择特性，作者进一步强化和开发了其在光学系统中的实际应用，其中一对光纤元尖端组合起来构成光学数据传输系统的光学互连（图12c）。光学互连充当有效的通道门，其中开/关状态严格依赖于凹进光束偏振状态（TE偏振模式的通过和TM偏振模式的阻挡）。

巧合的是，基于光纤集成超表面在光纤通信网络领域的实际应用在[86]中得到了进一步强调。超表面由 70 nm 厚的金膜组成，金膜上穿孔有一系列不对称分裂的环形孔径（图 13a），可以放置在波腹（相干吸收）或节点（相干透明）以灵活控制光学吸收入射光从 0% 到 100%（图 13b）。

然后，基于光纤超表面的器件可以根据相干输入信号之间的相位差来控制输出光强度，从而通过改变输入/输出信号相位关系来实现类似于逻辑门（XOR、NOT、AND）的功能以 kHz 和 GHz 比特率运行（图 13c）。实验结果表明，所制造的光纤元器件是一种高效的光纤化开关，可应用于量子信息网络中的全光信号处理。

3.5.光纤元器件的制作方法

传统光纤具有几何灵活性、高纵横比和平面横截面等优点，为介电或等离子体超表面的集成提供了有利的平台。然而，由于光纤纤芯尺寸有限，传统纳米加工技术顺利应用于光纤端面仍存在很大障碍。尽管如此，从实验演示到市场上潜在的实际应用，光纤集成元设备的多样性和成熟度仍然做出了巨大的努力。除了光纤超表面的理论和数值研究外，本文综述的光纤超表面的制备方法可分为以下几种，如表1所示：

(1)聚焦离子束(FIB)铣削：FIB 铣削是最常用的高精度和分辨率平面或 3D 纳米结构构建方法。然而，FIB 填充技术的曝光深度有限且工艺耗时，阻碍了大规模生产。尽管如此，它仍然是一种优选的制造方法，其中纳米结构也可以在光纤的侧壁上图案化以构造超材料纤维[87、88、89、90]。

(2)电子束光刻(EBL)：与FIB铣削类似，EBL也是一种精密制造方法，但加工时间长且复杂。与直接FIB铣削不同，由于传统的旋涂和抗蚀剂处理是在大晶圆上进行，因此通常需要对设备的尺寸进行修改。已经采取了一些额外的措施来均匀化抗蚀剂涂层或提高光刻图案的质量，以获得更好的光纤刻面顶部压印超表面的分辨率[91, 92]。

(3)光刻：光学光刻具有更高的效率和产量，特别是对于大规模周期性纳米结构的图案化。然而，它不可避免地会遇到复杂的额外程序，包括抗蚀剂涂层、图案固定以及与光纤端面的对准。一种更容易实现的制造方法是易于使用复杂光学系统的干涉光刻。尽管如此，它仍然包含多个步骤，并且仅限于纳米结构图案的周期性阵列，其中非周期性超表面不适用。

（4）纳米转移技术：纳米转移提供了一种有效的方法，可以将微妙的超表面图案转移到直接纳米加工不可行的小光纤尖端（例如单模光纤）上。在转移过程中可以很好地保持图案分辨率和质量。然而，由于设备的不完善，在转移过程中可能会引入缺陷，并且转移过程通常是劳动密集型的且成本较高。于南方等。开发了廉价的纳米转移技术，包括干法和湿法转移工艺，称为“贴花转移”和“纳米切削”。这些方法已被证明对于传输密集、稀疏或互连的超表面图案具有成本效益、高效且方便[93,94,95]。

(5)直接激光写入：通过采用飞秒激光脉冲或双光子聚合，直接激光写入也可用于光纤端面顶部纳米结构的图案化。然而，通过飞秒激光烧蚀获得的亚波长结构通常会遇到相对较低的分辨率，其尺寸大于工作波长[96,97,98]。或者，双光子直接激光写入技术在构建复杂的三维（3D）结构方面占主导地位，而这很难通过自上而下的光刻来完成。双光子直接激光写入的优势还使得能够在波导内结构内进行复杂的结构原型设计[99, 100]。

表 1. 与光纤元器件相关的制造方法总结。

与上述在拉制光纤上图案化超表面图案的制造方法截然不同，基于预制件的光纤拉制技术允许在预制件组装和拉制过程中灵活添加超材料或微观特征[101]。例如，纤维内纳米线已成功嵌入具有不同空间方向的超材料预制件中[102, 103]。尽管这种超材料预制件是一种非光纤器件，但预计该技术可以进一步适用于大规模生产基于光纤的超表面器件，该器件具有多尺度的多种功能，可控制光损耗和结构限制。

四、总结及未来展望

近十年来超表面技术的出现见证了光学器件的繁荣，其应用几乎遍及光学领域。超表面相位不连续性的引入使得能够灵活设计光传播方向、相位、振幅和偏振，因此创建了多种光学超器件来满足纳米光子领域日益增长的需求。同时，“光纤实验室”范式的兴起，为功能化光纤的产生带来了颠覆性发展，极大拓展了传统光纤的应用场景。本文全面综述了光纤集成超表面作为光纤实验室技术分支的新兴平台的应用。首先介绍了超表面的基本概念和原理，为光纤超表面的实现奠定了理论基础。根据特定的相位延迟分布和设计方法，对基于光纤超表面的器件的简单物理应用进行了相应的分类和审查，然后总结了用于创建这些基于光纤的超表面器件的各种制造技术。通过对卓有成效且新颖的光纤超表面器件的回顾，相信基于光纤的超表面在信号处理、长距离光纤通信等大量实际光纤兼容应用中显示出巨大的应用前景。、生物医学传感、内窥镜成像、光学计量和光存储。尽管如此，这个新建立的光子平台仍然存在一些挑战和潜在的研究方向：

（1）显着的挑战之一是开发具有高可扩展性和成本效益的成熟制造技术。目前，大多数基于纤维的超表面依赖于FIB铣削和EBL等慢速蚀刻工艺，不适合大规模和商业化生产。纳米压印和自组装可能是未来批量生产的有希望的进展，但需要进一步研究。

(2)现阶段出现的光纤元器件几乎都是由有损金属材料构成，这极大地阻碍了设计功能的运行效率。其他具有低损耗和高光与物质相互作用的材料仍需要进一步探索。

(3)现阶段的光纤超表面通常以预定的相位分布来实现一种特定的功能。双功能或多功能光纤超表面可以通过在光纤面上结合具有不同相位分布或相位调制原理的纳米结构阵列来进一步开发，例如具有偏振检测的定向光束聚焦、同时同轴或离轴光束聚焦以及光光束准直与新结构光的产生。

(4)可以选择更多类型的光纤作为容纳二维纳米结构的有前景的基底，例如多芯光纤、环芯光纤、多模光纤或其他微结构光纤，这些光纤支持高阶导模传播应用于SDM技术光纤通信的实际应用。

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