用冰来制造光纤，被列为我国2021年重大科学突破之一。近日，浙江大学（以下简称浙大）光电科学与工程学院童利民教授团队联合浙大交叉力学中心和美国加州大学伯克利分校的科研人员，在-50℃环境中，制备出了高质量冰单晶微纳光纤。其既能够灵活弯曲，又可以低损耗传输光，在性能上与玻璃光纤相似。

光纤的直径通常在一毫米左右，把它们聚集成一束就可以成为一个传输大量信号的光缆。

用光来传输信号有几个好处，一个是准确率非常高，还有一个就是通信容纳量很大，保密性强。但是光在空气传播容易损耗，而且不会转弯，所以只能在光纤里面传播。

光在光纤里面传播是受很多条件的约束，一个是光纤本身的折射率，还有一个很重要的指标就是光纤NA值。

1、什么是光纤的NA值？

可以把光想象成一个弹丸，在光纤里面传输，相当于把一个玻璃球扔进一个弯曲管道，一头进，另一头出。

弹丸在封闭弯曲的管道中，运行情况完全取决于管道直径、管道材料。

如果管道比较粗，那么进去的弹丸就比较多，相当于进入的光功率就比较大，但是它在里面反弹的次数也多，损耗也多。

传送弹丸的管道越细，弹丸的运行越平滑。

光子在光纤中的传播过程和弹丸在管道中的传播过程完全一样，也是通过不停的反射，曲折的向前运行的。

所以光纤越细，光在其中传播的损耗越小。

入射光和光纤轴的夹角α，以及光纤的材质决定了光在光纤中的传播特性。

NA值就是光纤材料的折射率n，乘以夹角α的正弦值，公式：NA=n×sin(α)。这个值又被称为数值孔径，是表示光纤特性的最重要参数。

夹角α越小，它传播的时候反射的角度也就越小，在光纤中反射的次数越少，走的总路径越短。

所以光纤越细，光在其中传播的衰减越小。

要减少光信号的传播损耗，就必须使用特别的光纤，这就是所谓的超细光纤。

2、玻璃造不出太细的光纤，换成冰。

光纤的材料是石英玻璃或者是玻璃，首先把原料棒放在高温炉里加热，让原料棒变软，然后用特殊的机器把它拉成细丝，就制造成了光纤。

但是玻璃加热融化了也是有粘性的，这会影响形成光纤的直径，所以特别细的光纤不能用玻璃来做。

要制造突破玻璃光纤物理极限的超细光纤，只能换材料。

我们知道水结成冰是透明的，而且纯净水的粘性很小，理论上来说可以用冰来做光纤。

但是用冰来做光纤更难。冰是晶体，它只会融化成水而不会软化，所以不能用加热玻璃那样的办法来拉成冰丝。除此以外，冰很脆，没有什么弹性，弯曲和盘绕的性能远远不及玻璃光纤。

所以用冰来制造光纤，可以转化成这样一个命题：如何用水在低温下冻成纳米尺度正圆截面的冰棍，同时有一定弹性。

3、挑战弹性极限，冰光纤具有潜在优势

“单是结构均匀、表面光滑还不够，若要尽可能适应场景需求，需要对冰微纳光纤的弹性应变性能进行充分探索。”童利民介绍，虽然学界曾有理论计算预测过，理想情况下，冰的弹性应变极限有可能大于10%，但是真实冰晶中由于存在结构缺陷，能够达到的应变值远低于理论极限。

为探索其力学性能，团队利用新发明的低温微纳操控和转移技术，在多个环境下做了测试。最终在-150℃的环境中，团队制备的冰微纳光纤获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限。

据介绍，将标准光纤直径减小到波长甚至亚波长量级，成为微纳光纤，提升或引入光场在空间约束、近场相互作用、表面增强、波导色散及光动量效应等方面的调控能力，在近场耦合、光学传感和量子光学等方面具有独特优势，是目前光纤领域的前沿研究方向之一。

“由于材料对光场的响应特性取决于其组成元素、分子结构及其排列方式。研究团队预测，由H2O分子规则排列而成的冰单晶微纳光纤，在光的操控方面具有潜在优势。”童利民说。

为了测试其光学特性，团队利用其此前发明的近场耦合输入技术，在可见光波段实现了冰微纳光纤的宽带光传输，传输损耗低达0.2dB/cm，与目前高质量平面波导相当，这种光操控能力为微纳光纤用于低温光学导波与传感提供了新的技术可能。

“由于理想冰单晶在可见光波段具有极低的吸收和散射特性，进一步优化制备和测试条件，将有可能在冰微纳光纤实现超低损耗光传输。”童利民认为，该项研究结果将拓展人们对冰的认知边界，激发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，以及发展适用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。

4、如何用冰制造出光纤？

浙江大学光电科学与工程学院童利民教授团队联合浙大交叉力学中心和美国加州大学伯克利分校的科研人员，在-50℃环境中，制备出了高质量冰单晶微纳光纤。

吃的那种冰棍是把水灌到模具里面做出来的。但是如果这根冰棍要缩小到纳米尺度，就不能用模具来做，因为很难脱模。

科学家用电场诱导冰的结晶方向，最终形成了一个极细的冰棍。

除此以外，冰棍不容易弯曲，但是光纤是需要弯曲的。科学家通过反复实验，最终把冰棍的变形能力从1%不到，提高到了10%。

这个形变对于玻璃光纤来说不算什么，但是对于冰来说这已经非常了不起了。

相关研究成果发表于2021年7月9日出版的《科学》杂志。

5、冰光纤有什么用途？

用冰做成的光纤，具有极低光吸收和散射特性，传输的光信号损耗非常低，达到0.2DB每厘米。

冰光纤可以做得非常细，浙江大学科学家制造出来的冰光纤最细的直径只有800纳米，只相当SARS-cov-2病毒直径的8倍，比玻璃光纤直径小了100倍。

我们知道可见光的波长是400纳米到760纳米，光纤中的光的典型波长是800纳米到1600纳米。

如果光纤直径等于光波长的时候，光的量子力学效应就会被展现出来。

这时候在光纤的周围会形成一个直径几百纳米左右的倏逝场。

我们知道按照量子力学来说光是一个基本粒子，它服从量子力学的测不准原理，不能同时计算光的位置和速度。

光的速度我们是知道的，那么如果光纤的直径和光的波长大小相等的话，光纤的位置就是光子的位置。那么不是可以同时算得光子的位置和速度了吗？

这显然和量子力学的结论是相矛盾的。

所以，在此时，光子以弥散在光纤周围的光场形式传播，这就是光子倏逝场。倏逝场对周围的干扰非常敏感，可以用来探测一些通常不能探测到的东西。

文章来源： 科技日报，华笺流香