CN102053302A - 一种胶体晶体修饰的光纤微结构器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由胶体晶体修饰的光纤-毛细管微结构器件。主要制作步骤为:将普通标准单模光纤除去涂覆层，插入毛细管中，并用胶水将光纤固定，然后将毛细管-光纤端面磨平；配置不同材料的(如:PS,PMMA和Silica)胶体微球溶液；用垂直沉积法在毛细管-光纤端面生长胶体晶体,用烧结炉烧结固化形成胶体晶体毛细管-光纤微结构；用热塑套管、塑料盒封装固定。本发明形成的胶体晶体修饰的毛细管-光纤微结构可以形成多孔结构，进一步发展可成为光纤滤波器和生物、环境传感器；由于利用的是普通光纤制备，因此制作简便、成本低。

Description

一种胶体晶体修饰的光纤微结构器件及其制备方法

技术领域

 本发明涉及一种微结构器件，特别是涉及光纤微结构的器件及其制备方法。

背景技术  

将光子晶体的带隙结构应用于光纤，形成了光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)，又称微结构光纤。采用紫外侧写技术或CO₂热激技术，可以在PCF中写制光子晶体光纤光栅。微结构光纤光栅具有丰富的结构和光学特性。改变光纤中的微孔排列、大小以及占空比，或者将介质载入微孔，均可改变光子晶体光纤及其光栅的光学性质，极大地改变了光纤微结构的性能。但其制作成本高,与普通光纤的对接使用也存在很多问题。

制造光学波段的光子晶体，化学方法显示出更大的优越性，其中利用胶体颗粒自组装是一种非常简便的方法:合成单分散的胶体微球(如二氧化硅或聚苯乙烯微球)；对微球进行组装，在不同的基体上形成三维有序堆积；烧结以增加样品的机械强度，同时可以控制颗粒间的孔隙。颗粒自组装方法简便易行，材料选择范围宽，球形颗粒易合成，且尺寸可控，制作成本低。

发明内容

本发明即是基于以上所述现状进行的，目的在于制作一种方便、廉价，能和现在的通讯光纤直接匹配的光纤微结构器件，利用胶体晶体光子带隙波段近乎完全反射，提供一种具有仅增强光子带隙波段，其他波段散射出去迅速减弱的光纤器件。

为了实现上述发明目的，本发明光纤微结构器件采用如下技术方案：

一种胶体晶体修饰的光纤微结构器件,包括去除一段涂覆层后的单模光纤、毛细管、胶体晶体和塑料盒，毛细管的一端是平面的，另一端开有喇叭口，单模光纤去除涂覆层后的一端穿过所述毛细管，并与毛细管的平面端面对齐，毛细管的喇叭口卡住所述光纤另一端的涂覆层，所述毛细管的平面端面上沉积有胶体晶体,微结构采用热塑套管固定，并用塑料盒封装。

本发明光纤微结构器件的制备方法采用如下工艺步骤：

a）截取一段普通单模光纤,在光纤一端用钳子剥除一段涂覆层后，在裸纤上涂一层光纤胶水，并插入一端开有喇叭口的毛细管中，喇叭口卡住光纤另一端的涂覆层，再用胶水填满喇叭口，以此固定光纤，形成了一端有光纤尾纤的光纤-毛细管结构,然后将光纤和毛细管的平面端面在垂直于光纤径向90度的同一平面上磨平至光滑；

b）将上一步磨好的光纤-毛细管结构分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；

c）将干燥后的光纤-毛细管结构用夹具水平夹稳；

d）配置不同材料的胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×％ <0.2％，质量百分比浓度为2%~8%，溶剂水/乙醇的体积比为7:3；

e）将步骤c）中光纤-毛细管结构的平面端垂直插入盛有配好的胶体微球溶液的玻璃瓶中，保持光纤-毛细管结构垂直液面;

f）将步骤e）中的整个装置置于水浴内，在一定的温度、湿度的条件下，采用垂直沉积法在光纤-毛细管结构的平面端涂覆胶体晶体，恒温条件下静置48小时左右；

g）将步骤f）中制备的平面端涂覆有胶体晶体的光纤-毛细管结构在一定温度下进行烧结，使涂覆的胶体晶体固化，然后用热塑套管固定，塑料盒封装即形成胶体晶体修饰的光纤微结构器件。

本发明采用垂直沉积微球自组装的方法，在光纤端面制备有序的胶体晶体，采用热塑套管、塑料盒封装技术形成微结构器件，具有光子带隙部分增强效应，且端面胶体晶体可以利用其中心带隙波长进行选频，其频带窄，精度高，而且随所处介质变化，可以形成气体探测和波分复用器件；通过在光纤端面涂覆不同（粒径）的胶体微球，或者在胶体晶体的空隙部分填充不同折射率的材料形成多孔反结构，可以改变增强的光子带隙的中心波长，达到任意选频的目的，同时进一步发展可以形成廉价的生物和环境传感器件、滤波器等。

附图说明

图1是本发明微结构器件的制备装置示意图，1-1:平板夹；1-2:胶体微球溶液；1-3:光纤；1-4:水；1-5:毛细管；1-6:恒温水浴；1-7:玻璃瓶；1-8:平板夹持器；1-9：万向可调支架。

图2是本发明胶体晶体制备过程中的结晶过程示意图，1-7:玻璃瓶；1-2:胶体溶液；2-3:胶体微球；2-4:溶液半月面；2-5：光纤-毛细管结构；2-6:微球重力；2-7:微球聚合力；2-8:流体剪切力；2-9：平板玻璃夹。

图3 是本发明胶体晶体修饰的光纤微结构器件结构侧面示意图，1-5:毛细管，1-3:光纤，3-1：喇叭口；3-2：胶体晶体。

图4是图3中光纤微结构器件的反射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步详细说明。

本实施例制备光纤微结构器件的步骤如下：

a）截取一段普通单模光纤1-3，纤芯9μm，包层125μm，在光纤1-3一端用钳子剥除6mm长一段涂覆层后，在裸纤上涂一层光纤胶水，并插入一端开有喇叭口3-1的毛细管1-5中，毛细管1-5长9mm，内径0.126mm，外径1.8mm，喇叭口3-1卡住光纤1-3另一端的涂覆层，再用胶水填满喇叭口3-1，以此固定光纤1-3，形成了一端有光纤尾纤的光纤-毛细管结构2-5，然后将光纤1-3和毛细管1-5的平面端面在垂直于光纤1-3径向90度的同一平面上磨平至光滑； 

b）将上一步磨好的光纤-毛细管结构2-5分别用丙酮（纯度99.7%）、酒精（纯度99.7%）、去离子水（电阻率18.2MΩ）超声清洗5分钟，然后用氮气吹干，氮气浓度99.7%；

c）将干燥后的光纤-毛细管结构2-5用夹具水平夹稳，如图1中平板夹持器1-8和万向可调支架1-9所示；

d）配置聚苯乙烯（PS）胶体溶液1-210ml，胶体微球2-3的直径为690nm，微球直径偏差0.2％，质量百分比浓度为2%，溶剂水/乙醇的体积比为7:3；

e）将步骤c）中的光纤-毛细管结构2-5的平面端垂直插入盛有配好的胶体微球溶液的玻璃瓶1-7中，保持光纤-毛细管结构2-5端面垂直液面；

f）将步骤e）中的整个装置置于恒温水浴1-6中，在恒温50度，温度波动<0.1度，湿度介于20%-50%之间，采用垂直沉积法在光纤-毛细管结构2-5的平面端涂覆胶体晶体3-2，恒温条件下静置48小时左右；

g）将步骤f）中制备的平面端涂覆有胶体晶体3-2的光纤-毛细管结构2-5在80度下烧结2小时，使涂覆的胶体晶体3-2固化，然后用热塑套管固定，塑料盒封装形成胶体晶体修饰的光纤微结构器件。

Claims (4)

1. 一种胶体晶体修饰的光纤微结构器件,包括去除一段涂覆层后的单模光纤、毛细管、胶体晶体和塑料盒，其特征在于，毛细管的一端是平面的，另一端开有喇叭口，单模光纤去除涂覆层后的一端穿过所述毛细管，并与毛细管的平面端面对齐，毛细管的喇叭口卡住所述光纤另一端的涂覆层，所述毛细管的平面端面上沉积有胶体晶体,微结构采用热塑套管固定，并用塑料盒封装。

2. 根据权利要求1所述的一种胶体晶体修饰的光纤微结构器件，其特征在于：所述毛细管的尺寸为：内径 0.126mm、外 径1mm至3mm、长5mm至20mm。

3. 一种制备如权利要求1所述的光纤微结构器件的方法, 其制备工艺步骤如下：

a）截取一段普通单模光纤,在光纤一端用钳子剥除一段涂覆层后，在裸纤上涂一层光纤胶水，并插入一端开有喇叭口的毛细管中，喇叭口卡住光纤另一端的涂覆层，再用胶水填满喇叭口，以此固定光纤，形成了一端有光纤尾纤的光纤-毛细管结构,然后将光纤和毛细管的平面端面在垂直于光纤径向90度的同一平面上磨平至光滑；

b）将上一步磨好的光纤-毛细管结构分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；

c）将干燥后的光纤-毛细管结构用夹具水平夹稳；

d）配置不同材料的胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×％ <0.2％，质量百分比浓度为2%～8%，溶剂水/乙醇的体积比为7:3；

e）将步骤c）中光纤-毛细管结构的平面端垂直插入盛有配好的胶体微球溶液的玻璃瓶中，保持光纤-毛细管结构垂直液面;

f）将步骤e）中的整个装置置于水浴内，在一定的温度、湿度的条件下，采用垂直沉积法在光纤-毛细管结构的平面端涂覆胶体晶体，恒温条件下静置48小时左右；

g）将步骤f）中制备的平面端涂覆有胶体晶体的光纤-毛细管结构在一定温度下进行烧结，使涂覆的胶体晶体固化，然后用热塑套管固定，塑料盒封装即形成胶体晶体修饰的光纤微结构器件。

4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述胶体微球采用PS、PMMA或二氧化硅，其微球直径为100nm至1000nm。

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