傳統(tǒng)石英光學(xué)纖維雖在長(zhǎng)距離通信中占據(jù)主導(dǎo)地位，但其固有的脆性、易斷裂、難以修復(fù)以及缺乏可重構(gòu)性等局限，尤其在充滿挑戰(zhàn)的水下通信環(huán)境中，嚴(yán)重限制了其適應(yīng)性與應(yīng)用拓展。這些由石英機(jī)械特性所決定的不足，催生了對(duì)于兼具光學(xué)功能、柔性、自愈及按需可重構(gòu)能力的新型光纖系統(tǒng)的迫切需求。

為此，香港大學(xué)柴愚教授和合作者成功開(kāi)發(fā)出一種基于結(jié)構(gòu)化液體的可重構(gòu)全液體光學(xué)纖維。該技術(shù)利用納米顆粒表面活性劑在水-油界面的組裝與阻塞，創(chuàng)造出一種兼具界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和液體固有柔韌性的纖維。它不僅能支持以太網(wǎng)平臺(tái)上的實(shí)時(shí)通信（速率高達(dá)1Gbps），為光互連提供了實(shí)用的傳統(tǒng)光纖替代方案，其液體特性還使得斷裂纖維能通過(guò)融合過(guò)程快速修復(fù)，其柔軟性更允許按需重構(gòu)，從而為動(dòng)態(tài)環(huán)境中的光通信系統(tǒng)提供了一種多功能、自愈且強(qiáng)韌的解決方案。相關(guān)論文以“Structured liquid-based reconfigurable all-liquid optical fibers”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究的起點(diǎn)在于驗(yàn)證全液體光纖的可行性。如圖1所示，團(tuán)隊(duì)通過(guò)全液體3D打印技術(shù)，借助納米顆粒表面活性劑在油水界面的自組裝與阻塞，成功制備出能夠傳導(dǎo)光信號(hào)的液體纖維?；驹硎抢闷咸烟撬芤海ǜ哒凵渎剩┡c硅油（低折射率）之間的折射率差，在界面實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射，從而將光限制在液芯中傳輸。實(shí)驗(yàn)中，光波沿著打印出的波浪形纖維內(nèi)界面?zhèn)鞑?，清晰的光路輸出證實(shí)了其導(dǎo)光能力，為將其應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖1：可重構(gòu)全液體光學(xué)纖維的概念驗(yàn)證。 a. 示意圖展示了通過(guò)納米顆粒表面活性劑在油水界面的自組裝與阻塞實(shí)現(xiàn)的全液體3D打印過(guò)程，以及所得具有光傳播能力的RAOF。 b. 通過(guò)全液體3D打印制備的波浪形液體細(xì)管。 c. 液體細(xì)管的顯微圖像，對(duì)應(yīng)(b)中標(biāo)記的彎曲處。 d. 由于水相高折射率(nw)與油相低折射率(no)產(chǎn)生的折射率差，光在油水界面發(fā)生全反射。上圖：水芯與油包層界面全反射示意圖；下圖：油水界面全反射的暗場(chǎng)圖像。 e. 光沿波浪形RAOF內(nèi)界面?zhèn)鞑サ难菔?。插圖：RAOF末端的放大圖。 f. 波浪形RAOF的照片。 g. RAOF耦合到實(shí)際通信系統(tǒng)中應(yīng)用的示意圖。比例尺：c和d，2毫米；e和f，1厘米。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，團(tuán)隊(duì)深入探索了全液體3D打印的參數(shù)域。圖2展示了界面張力隨配制濃度的變化規(guī)律，以及形成穩(wěn)定液體細(xì)管的相圖。通過(guò)調(diào)整打印參數(shù)，可以制備出直徑從300微米到1.7毫米不等的纖維，并能打印出螺旋、花朵、三維彈簧等多種復(fù)雜圖案。然而，界面組裝體在納米尺度的粗糙度及其弛豫產(chǎn)生的微米級(jí)褶皺，會(huì)導(dǎo)致光散射和泄漏。通過(guò)優(yōu)化葡萄糖濃度來(lái)增強(qiáng)界面流動(dòng)性，可有效消除褶皺，在降低散射與保持足夠折射率差之間取得平衡，從而優(yōu)化傳輸性能。

圖2：用于可重構(gòu)全液體光學(xué)纖維的全液體3D打印。 a. 界面張力隨水相中PSS質(zhì)量濃度和油相中N-PDMS質(zhì)量濃度的演化。 b. 基于水相中PSS含量和油相中N-PDMS含量的液體細(xì)管形成參數(shù)域。在此相圖中，改變PSS和N-PDMS的重量百分含量以改變懸滴形狀。 c. 通過(guò)全液體3D打印制造的各種圖案，包括2D圖案（螺旋、花朵、City U標(biāo)志）和3D彈簧。 d. 分隔水芯和油包層的水-油界面原位原子力顯微鏡圖像。橫向尺寸為20 μm × 20 μm，比例尺顯示界面的高度起伏。 e. RAOF靜置10分鐘后的顯微照片。褶皺表明界面組裝體的結(jié)構(gòu)弛豫。比例尺：c，1厘米；e，500 μm。

最關(guān)鍵的性能測(cè)試體現(xiàn)在實(shí)時(shí)通信能力上。圖3展示了將這種液體光纖集成到以太網(wǎng)平臺(tái)中進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)。眼圖分析表明，在200 Mbps至1 Gbps的數(shù)據(jù)速率下，系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作。實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了高清電視流媒體播放、網(wǎng)絡(luò)瀏覽乃至跨國(guó)在線視頻會(huì)議，證明其足以滿足多種實(shí)際高速通信場(chǎng)景的需求，傳輸信號(hào)與源信號(hào)保持了高度一致性。

圖3：以可重構(gòu)全液體光學(xué)纖維作為信息傳輸媒介的實(shí)時(shí)通信演示。 a. 實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)整體裝置設(shè)置的示意圖。 b-c. 分別以200 Mbps和800 Mbps速率運(yùn)行時(shí)，使用RAOF作為信息傳輸媒介的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)眼圖。 d. 顯示耦合到光波的源信號(hào)以及在輸出端解耦信號(hào)的波形圖，對(duì)應(yīng)(e)中測(cè)試的信號(hào)。 e. 根據(jù)(d)中接收數(shù)據(jù)生成的對(duì)應(yīng)眼圖。 f. 示意圖顯示RAOF可用于實(shí)時(shí)通信，如在線視頻會(huì)議。

與剛性石英光纖相比，全液體光纖最引人矚目的特性在于其動(dòng)態(tài)性能。圖4生動(dòng)演示了其自修復(fù)與可重構(gòu)能力。當(dāng)纖維被切斷，通信鏈路中斷后，僅需向斷裂處注入水相即可快速“焊接”修復(fù)，恢復(fù)信號(hào)傳輸，且連接速度未見(jiàn)明顯衰減。此外，利用全液體3D打印，可在現(xiàn)有纖維上任意位置現(xiàn)場(chǎng)打印出新的分支，形成Y型分路器，實(shí)現(xiàn)光路分割。更巧妙的是，通過(guò)在外加磁場(chǎng)控制下移動(dòng)纖維內(nèi)部注入的鐵磁流體液滴，可以像開(kāi)關(guān)一樣遠(yuǎn)程、任意位置地阻斷或通過(guò)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道切換，這為可編程光路設(shè)計(jì)提供了全新范式。

圖4：展示可重構(gòu)全液體光學(xué)纖維自愈、重構(gòu)和可流動(dòng)核心獨(dú)特性的演示。 a-f. RAOF狀態(tài)與實(shí)時(shí)在線視頻會(huì)議同步狀態(tài)在RAOF斷裂和修復(fù)過(guò)程中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 a. 斷裂前的RAOF； b. RAOF斷裂前的源信號(hào)和接收器信號(hào)； c. RAOF在中點(diǎn)被切斷； d. 光纖斷裂后的源信號(hào)和接收器信號(hào)，顯示網(wǎng)絡(luò)連接離線； e. RAOF被修復(fù)； f. 光纖修復(fù)后的源信號(hào)和接收器信號(hào)，顯示鏈路恢復(fù)。 g. 通過(guò)全液體3D打印進(jìn)行形狀重構(gòu)的示意圖。 h. 一根RAOF的照片。 i. 從(h)衍生出附加通道的RAOF照片，形成具有兩個(gè)通道（CH 1和CH 2）的Y型分支結(jié)構(gòu)。 j. 來(lái)自光源、CH 1和CH 2的信號(hào)。 k. 通過(guò)遠(yuǎn)程控制RAOF內(nèi)部鐵磁流體液滴移動(dòng)進(jìn)行信號(hào)切換的示意圖。 l-m. 以鐵磁流體液滴作為信號(hào)開(kāi)關(guān)的RAOF： l. 鐵磁流體液滴在CH 2中，導(dǎo)致CH 1信號(hào)開(kāi)啟而CH 2信號(hào)關(guān)閉； m. 鐵磁流體液滴被重新定位在CH 1中，導(dǎo)致CH 1信號(hào)關(guān)閉而CH 2信號(hào)開(kāi)啟。 n. 與l和m相關(guān)聯(lián)的CH 1和CH 2信號(hào)波形圖。比例尺：a-c，1毫米；h, i, l, m，1毫米。

這項(xiàng)研究成功制造出可用于實(shí)時(shí)通信的可重構(gòu)全液體光學(xué)纖維，其柔軟、自愈、可按需重構(gòu)和動(dòng)態(tài)操控信號(hào)的特性，標(biāo)志著光纖技術(shù)的一個(gè)突破性進(jìn)展。它不僅為克服傳統(tǒng)光纖在動(dòng)態(tài)和苛刻環(huán)境中的應(yīng)用短板提供了創(chuàng)新思路，也為未來(lái)水下光通信、可重構(gòu)光互聯(lián)及新型光子器件開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的道路。