光纤是全球信息基础设施的重要基石，凭借低损耗、大带宽和长距离传输等优势，为现代通信与信息互联提供了重要支撑。然而，传统光纤主要承担光信息的被动传输功能，光信息的探测、处理及与交互仍主要依赖光纤之外的独立芯片及系统，尚未实现相关功能与光纤载体的深度融合。近日，中国科学院金属研究所与东北大学等单位组成的联合研究团队提出“光纤电子学（Optical fiber Electronics）”设计理念，探索将电子学、光电子学与无线通讯等功能集成于单根光纤之中，并在实验上展示了纤上光信息感知、处理和交互能力，为拓展光纤的功能边界、推动信息功能器件与光纤载体的一体化融合提供了新的思路，开辟了光纤电子学领域新的研究方向。相关成果以“Optical Fiber Electronics: Integrating Logic, Photodetection, and Wireless Communication on a Single Optical Fiber”（光纤电子学：纤上集成的逻辑、光探测与无线通信）为题，近日发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

研究团队以D形光纤为多功能集成平台（图1），建立了适配其侧抛光面的微纳器件制造工艺，并在光纤表面集成了高密度碳纳米管薄膜晶体管及逻辑电路，实现了纤上电子逻辑功能（图2）。同时，通过构筑量子点/碳纳米管光电晶体管，借助光纤导模倏逝场与器件的耦合作用，实现了对沿纤传播光信号的原位探测。在外部光照和波导耦合两种工作模式下，器件最高比探测率分别达到3.82×10¹⁶ Jones和3.25×10¹⁵Jones（图3）。在此基础上，研究团队将光电探测与电子逻辑功能相结合，实现了纤上光控逻辑反相功能，同时保持导模光信号的沿纤连续传输（图4）。此外，通过在光纤表面构筑多层微型线圈，拓展了纤上无线通讯功能。通过近场磁耦合，系统实现了亚米尺度无线能量传输，在60 cm的传输距离下，经整流后仍可测得直流电压输出；该微型线圈结构还可用于射频信号发射，并在500 kHz–13.56 MHz范围内保持稳定响应（图5）。

金属所的孙东明研究员和东北大学程同蕾教授为论文的通讯作者。东北大学孙远琪（现任金属所助理研究员）、金属所李波副研究员和东北大学周雪特聘副研究员为论文共同第一作者。中国科学院大连化物所吴忠帅研究员、大连交通大学王森副教授在无线传输方面提供了支持；南京理工大学李晓明教授、沈阳工业大学刘阳博士在光敏材料方面提供了支持；金属所刘畅研究员、苏州纳米所邱松研究员在碳纳米管材料方面提供了支持。该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金及辽宁省相关科研项目等资助。

全文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag550

图1. 多功能器件集成的光纤电子学。（a）传统光纤通信系统示意图；（b）光纤电子学概念示意图；（c）D形光纤表面集成多种功能器件的光学显微图。

图2. 纤上晶体管与逻辑电路。（a）碳纳米管薄膜晶体管转移特性；（b）反相器输入–输出特性及电压增益；（c）五级环形振荡器电路结构；（d）五级环形振荡器光学显微图；（e）不同偏压下环形振荡器输出波形；（f）不同温度下光纤透射光谱；（g）表面等离激元共振波长的温度响应。

图3. 纤上光电晶体管与探测性能。（a）CsPbBr₃量子点/碳纳米管光电晶体管结构；（b）器件截面透射电子显微图；（c）外部光照下器件转移特性；（d）波导耦合光照下器件转移特性；（e）器件响应度；（f）外量子效率；（g）比探测率；（h）与代表性光电探测器的性能对标。

图4. 纤上光控逻辑功能。（a）导模倏逝场驱动的光控逻辑反相器；（b）“NEU-IMR”字符ASCII比特编码；（c）光输入、光输出及反相电逻辑输出。

图5. 纤上无线通讯功能。（a）微型线圈光学显微图；（b）多层微型线圈结构；（c）无线能量传输等效电路；（d）不同传输距离下感应电压；（e）低频射频信号发射等效电路；（f）不同传输距离下接收频谱。