香港大学柴愚教授《自然·通讯》：新型可重构全液体光学纤维问世：柔软、自愈、可重塑的光通信突破

传统石英光学纤维虽在长距离通信中占据主导地位，但其固有的脆性、易断裂、难以修复以及缺乏可重构性等局限，尤其在充满挑战的水下通信环境中，严重限制了其适应性与应用拓展。这些由石英机械特性所决定的不足，催生了对于兼具光学功能、柔性、自愈及按需可重构能力的新型光纤系统的迫切需求。

为此，香港大学柴愚教授和合作者成功开发出一种基于结构化液体的可重构全液体光学纤维。该技术利用纳米颗粒表面活性剂在水-油界面的组装与阻塞，创造出一种兼具界面结构稳定性和液体固有柔韧性的纤维。它不仅能支持以太网平台上的实时通信（速率高达1Gbps），为光互连提供了实用的传统光纤替代方案，其液体特性还使得断裂纤维能通过融合过程快速修复，其柔软性更允许按需重构，从而为动态环境中的光通信系统提供了一种多功能、自愈且强韧的解决方案。相关论文以“Structured liquid-based reconfigurable all-liquid optical fibers”为题，发表在

Nature Communications

研究的起点在于验证全液体光纤的可行性。如图1所示，团队通过全液体3D打印技术，借助纳米颗粒表面活性剂在油水界面的自组装与阻塞，成功制备出能够传导光信号的液体纤维。基本原理是利用葡萄糖水溶液（高折射率）与硅油（低折射率）之间的折射率差，在界面实现全内反射，从而将光限制在液芯中传输。实验中，光波沿着打印出的波浪形纤维内界面传播，清晰的光路输出证实了其导光能力，为将其应用于实际通信系统奠定了基础。

图1：可重构全液体光学纤维的概念验证。 a. 示意图展示了通过纳米颗粒表面活性剂在油水界面的自组装与阻塞实现的全液体3D打印过程，以及所得具有光传播能力的RAOF。 b. 通过全液体3D打印制备的波浪形液体细管。 c. 液体细管的显微图像，对应(b)中标记的弯曲处。 d. 由于水相高折射率(nw)与油相低折射率(no)产生的折射率差，光在油水界面发生全反射。上图：水芯与油包层界面全反射示意图；下图：油水界面全反射的暗场图像。 e. 光沿波浪形RAOF内界面传播的演示。插图：RAOF末端的放大图。 f. 波浪形RAOF的照片。 g. RAOF耦合到实际通信系统中应用的示意图。比例尺：c和d，2毫米；e和f，1厘米。

为实现复杂结构的制造，团队深入探索了全液体3D打印的参数域。图2展示了界面张力随配制浓度的变化规律，以及形成稳定液体细管的相图。通过调整打印参数，可以制备出直径从300微米到1.7毫米不等的纤维，并能打印出螺旋、花朵、三维弹簧等多种复杂图案。然而，界面组装体在纳米尺度的粗糙度及其弛豫产生的微米级褶皱，会导致光散射和泄漏。通过优化葡萄糖浓度来增强界面流动性，可有效消除褶皱，在降低散射与保持足够折射率差之间取得平衡，从而优化传输性能。

图2：用于可重构全液体光学纤维的全液体3D打印。 a. 界面张力随水相中PSS质量浓度和油相中N-PDMS质量浓度的演化。 b. 基于水相中PSS含量和油相中N-PDMS含量的液体细管形成参数域。在此相图中，改变PSS和N-PDMS的重量百分含量以改变悬滴形状。 c. 通过全液体3D打印制造的各种图案，包括2D图案（螺旋、花朵、City U标志）和3D弹簧。 d. 分隔水芯和油包层的水-油界面原位原子力显微镜图像。横向尺寸为20 µm × 20 µm，比例尺显示界面的高度起伏。 e. RAOF静置10分钟后的显微照片。褶皱表明界面组装体的结构弛豫。比例尺：c，1厘米；e，500 µm。

最关键的性能测试体现在实时通信能力上。图3展示了将这种液体光纤集成到以太网平台中进行通信实验。眼图分析表明，在200 Mbps至1 Gbps的数据速率下，系统均能稳定工作。实验成功实现了高清电视流媒体播放、网络浏览乃至跨国在线视频会议，证明其足以满足多种实际高速通信场景的需求，传输信号与源信号保持了高度一致性。

图3：以可重构全液体光学纤维作为信息传输媒介的实时通信演示。 a. 实时通信系统整体装置设置的示意图。 b-c. 分别以200 Mbps和800 Mbps速率运行时，使用RAOF作为信息传输媒介的实时通信系统眼图。 d. 显示耦合到光波的源信号以及在输出端解耦信号的波形图，对应(e)中测试的信号。 e. 根据(d)中接收数据生成的对应眼图。 f. 示意图显示RAOF可用于实时通信，如在线视频会议。

与刚性石英光纤相比，全液体光纤最引人瞩目的特性在于其动态性能。图4生动演示了其自修复与可重构能力。当纤维被切断，通信链路中断后，仅需向断裂处注入水相即可快速“焊接”修复，恢复信号传输，且连接速度未见明显衰减。此外，利用全液体3D打印，可在现有纤维上任意位置现场打印出新的分支，形成Y型分路器，实现光路分割。更巧妙的是，通过在外加磁场控制下移动纤维内部注入的铁磁流体液滴，可以像开关一样远程、任意位置地阻断或通过光信号，实现动态信道切换，这为可编程光路设计提供了全新范式。

图4：展示可重构全液体光学纤维自愈、重构和可流动核心独特性的演示。 a-f. RAOF状态与实时在线视频会议同步状态在RAOF断裂和修复过程中的对应关系。 a. 断裂前的RAOF； b. RAOF断裂前的源信号和接收器信号； c. RAOF在中点被切断； d. 光纤断裂后的源信号和接收器信号，显示网络连接离线； e. RAOF被修复； f. 光纤修复后的源信号和接收器信号，显示链路恢复。 g. 通过全液体3D打印进行形状重构的示意图。 h. 一根RAOF的照片。 i. 从(h)衍生出附加通道的RAOF照片，形成具有两个通道（CH 1和CH 2）的Y型分支结构。 j. 来自光源、CH 1和CH 2的信号。 k. 通过远程控制RAOF内部铁磁流体液滴移动进行信号切换的示意图。 l-m. 以铁磁流体液滴作为信号开关的RAOF： l. 铁磁流体液滴在CH 2中，导致CH 1信号开启而CH 2信号关闭； m. 铁磁流体液滴被重新定位在CH 1中，导致CH 1信号关闭而CH 2信号开启。 n. 与l和m相关联的CH 1和CH 2信号波形图。比例尺：a-c，1毫米；h, i, l, m，1毫米。

这项研究成功制造出可用于实时通信的可重构全液体光学纤维，其柔软、自愈、可按需重构和动态操控信号的特性，标志着光纤技术的一个突破性进展。它不仅为克服传统光纤在动态和苛刻环境中的应用短板提供了创新思路，也为未来水下光通信、可重构光互联及新型光子器件开发开辟了新的道路。