CN104820260B - 一种三维光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维光子晶体光纤及其制备方法，其由普通光纤制作而成，其特征在于：光纤中包括一段长度为2‑4mm的微纳光纤，微纳光纤的直径D为15‑40μm，微纳光纤的两端均通过圆锥形过渡区与普通光纤相连接，圆锥形过渡区的长度为4‑9mm，在微纳光纤的表面覆盖着胶体晶体。本发明利用拉锥后的微纳光纤自组装微球来制作光子晶体光纤，微纳光纤的强倏逝场使得光纤的传导模与胶体晶体耦合非常强，得到了很高的光谱响应。本发明工艺流程简单，器件稳定性良好，可进行批量化商用生产。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤，具体是一种三维光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
光子晶体光纤(PCF)是近年来出现的一种新型光纤，传统光子晶体光纤可分为两种：第一种光子晶体光纤具有高折射率芯层，纤芯被二维光子晶体包层所包围，这些光纤类似于常规光纤的性质，由于包层折射率小于纤芯折射率从而在光纤纤芯通过全反射形成波导；第二种光子晶体光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应。利用光子带隙中的光频率不能在光子晶体中存在的特点把光束控制在纤芯内。这种光子晶体光纤能使光束在比包层折射率低的纤芯内传播，甚至能在空气芯里传播，从而有利于大功率激光在光纤中的传播。目前，光子晶体光纤的应用研究己经逐渐覆盖到通信、传感、非线性光学、光谱学，乃至生物医学等众多科技领。随着研究的进一步深入，各种新型光子晶体光纤仍在不断涌现，基于光子晶体光纤的新应用同样日渐丰富。
胶体晶体是亚微米级单分散胶体晶体微球在合适的条件下形成的三维有序周期阵列结构，这种结构具有独特的光学性质。近年来，研究人员提出了一种新的制作微结构光纤的方法。通过在光纤的内部或外部自组装胶体晶体，从而制作出一种新的微结构光纤。这种新型微结构光纤可以形成三维光子晶体光纤、空气孔和多孔结构，能够进一步发展成为光纤滤波器和光纤传感器，形成新的传感机理。H. Yan等（Appl Phys B (2012) 107:91–95，A colloidal crystal microstructure fiber: fabrication andcharacterization）提出了用腐蚀的单模光纤和胶体晶体结合形成胶体晶体光纤结构，但是其单模光纤的腐蚀方法是一个剧毒的过程。
基于包层腐蚀光纤的制备方法是先把普通单模光纤包层腐蚀至只剩下30微米直径后，在包层腐蚀光纤的侧边进行小球的自组装，得到三维光子晶体光纤。目前报道的三维光子晶体光纤就是由此法制作，但是由于此方法是基于包层腐蚀光纤，其包层直径还有30微米，这时的包层倏逝场非常弱，导致胶体晶体与光纤传导模之间耦合非常弱，其光纤的透过峰幅度很低，而且其制作方法具有强腐蚀性及强毒性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有高光谱响应的三维光子晶体光纤。本发明还提出了上述三维光子晶体光纤的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种三维光子晶体光纤，由普通光纤制作而成，其特征在于：光纤中包括一段长度为2-4mm的微纳光纤，微纳光纤的直径D为15-40μm，微纳光纤的两端均通过圆锥形过渡区与普通光纤相连接，圆锥形过渡区的长度为4-9mm，在微纳光纤的表面覆盖着胶体晶体，所述胶体晶体为自组装的聚苯乙烯微球，聚苯乙烯微球的直径为300-620nm，聚苯乙烯微球的层数为5-50层。
进一步的，胶体晶体为FCC结构。
一种三维光子晶体光纤的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用熔融拉锥的方法将光纤的一小部分拉细成微纳光纤，微纳光纤的长度为2-4mm，直径D为15-40μm，微纳光纤的两端均通过圆锥形过渡区与普通光纤相连接，圆锥形过渡区的长度为4-9mm；
（2）对微纳光纤进行亲水性处理；
（3）在恒温蒸发的条件下，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微纳光纤的表面自组装从而形成胶体晶体，聚苯乙烯微球的直径为300-620nm，聚苯乙烯微球的层数为5-50层。
进一步的，步骤（3）的温度为25-35℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、利用拉锥后的微纳光纤自组装微球来制作光子晶体光纤，微纳光纤的强倏逝场使得光纤的传导模与胶体晶体耦合非常强，得到了很高的光谱响应（峰值幅度达到14dB）。
2、工艺流程简单，器件稳定性良好，可进行批量化商用生产。
附图说明
图1是三维光子晶体光纤的示意图；
图2是垂直提拉法的实验示意图；
图3是直径约为25μm的微纳光纤的SEM图；
图4是直径约为60μm的自组装微球后的微纳光纤的SEM图；
图5是胶体晶体的断面图；
图6是胶体晶体表面的放大图；
图7是胶体晶体的能带图；
图8是透射光谱图；
图9是相对透射谱。
图2中，1：光纤；2：大烧杯；3：微球；4：横梁；5：导轨；6：步进电机；7：电脑。
具体实施方式
三维光子晶体光纤主要分成微纳光纤制作、微纳光纤亲水性处理、垂直提拉法在微纳光纤侧面制作胶体晶体三个步骤。亲水性处理是将微纳光纤放进浓硫酸和双氧水的混合液里进行浸泡。用于制作胶体晶体的胶体溶液是浓度为10wt%聚苯乙烯微球去离子水溶液。
实施例1
如图3所示，拉锥法制备的微纳光纤的直径为30μm，长度为3mm，圆锥形过渡区的长度为6mm。在恒温蒸发的条件下，温度为30℃，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微纳光纤的表面自组装从而形成胶体晶体，聚苯乙烯微球的直径为300nm，提拉的速度V =4μm /s，聚苯乙烯微球的层数为50层。自组装微球后的微纳光纤的直径约为60μm，如图4所示。图5是胶体晶体的断面图；图6是胶体晶体表面的放大图。
用Rsoft的Bandsolve模块对胶体晶体的能带进行模拟分析。模拟计算中，晶体结构设为7层面心立方结构，聚苯乙烯小球半径为300nm，折射率设为1.59。 图7展示了胶体晶体的能带结构，展示了在布里渊区的Г-L方向存在不完全带隙，带隙的归一化频率范围为0.59-0.63。该带隙的归一化频率满足ω=λ/a,其中a为胶体晶体的晶格常数，对于FCC（面心立方）结构，晶格常数a与组装的微球直径D的关系满足D=0.707a。因此，可以计算得到选取直径为300nm PS微球制备的FCC结构的带隙波长范围673.4 nm -719.1 nm（能带图中黑色区域）。计算得到的沿[111]晶体取向的光子带隙与所测得的透射峰位置相吻合。
以超连续光源作为测量光源，使用海洋光学公司生产的光纤光谱仪（USB4000）对微纳光纤的透射谱进行测量。图8是微纳光纤的透射光谱图：图中黑线为未生长胶体晶体的微纳光纤透射光谱；黑色三角形为已经生长胶体晶体的微纳光纤的透射光谱。相对于未生长胶体晶体的微纳光纤，已生长胶体晶体的微纳光纤透射光谱在660nm到700nm之间有所增强，在680nm处观测到一个很强的透射峰值，此峰值对应于沿[111]晶体取向的光子带隙。以未生长胶体晶体的微纳光纤的透射光谱作为基线，已生长胶体晶体的微纳光纤的相对透射谱如图9所示。从图9可见胶体晶体对微纳光纤透射谱的调制强度达到14dB。这是由于胶体晶体的光子带隙造成，泄漏的单模光纤传导模被胶体晶体反射并耦合进入微纳光纤。
实施例2
微纳光纤的直径为15μm，长度为4mm，圆锥形过渡区的长度为9mm。在恒温蒸发的条件下，温度为25℃，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微纳光纤的表面自组装从而形成胶体晶体，聚苯乙烯微球的直径为300nm，提拉的速度V =8μm /s，聚苯乙烯微球的层数为5层。本实施例制备的三维光子晶体的透射谱的调制强度可达到5dB。
实施例3
微纳光纤的直径为40μm，长度为2mm，圆锥形过渡区的长度为4mm。在恒温蒸发的条件下，温度为35℃，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微纳光纤的表面自组装从而形成胶体晶体，聚苯乙烯微球的直径为620nm，提拉的速度V =4μm /s，聚苯乙烯微球的层数为7层。本实施例制备的三维光子晶体的透射谱的调制强度可达到3dB。
实施例4
微纳光纤的直径为30μm，长度为3mm，圆锥形过渡区的长度为7mm。在恒温蒸发的条件下，温度为30℃，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微纳光纤的表面自组装从而形成胶体晶体，聚苯乙烯微球的直径为500nm，提拉的速度V =4μm /s，聚苯乙烯微球的层数为20层。本实施例制备的三维光子晶体的透射谱的调制强度可达到8dB。
Claims (4)
1.一种三维光子晶体光纤，由普通光纤制作而成，其特征在于：光纤中包括一段长度为2-4mm的微纳光纤，微纳光纤的直径D为15-40μm，微纳光纤的两端均通过圆锥形过渡区与普通光纤相连接，圆锥形过渡区的长度为4-9mm，在微纳光纤的表面覆盖着胶体晶体，所述胶体晶体为自组装的聚苯乙烯微球，聚苯乙烯微球的直径为300-620nm，聚苯乙烯微球的层数为5-50层。
2.根据权利要求1所述的三维光子晶体光纤，其特征在于胶体晶体为FCC结构。
3.一种三维光子晶体光纤的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用熔融拉锥的方法将光纤的一小部分拉细成微纳光纤，微纳光纤的长度为2-4mm，直径D为15-40μm，微纳光纤的两端均通过圆锥形过渡区与普通光纤相连接，圆锥形过渡区的长度为4-9mm；
（2）对微纳光纤进行亲水性处理；
（3）在恒温蒸发的条件下，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微纳光纤的表面自组装从而形成胶体晶体，聚苯乙烯微球的直径为300-620nm，聚苯乙烯微球的层数为5-50层。
4.根据权利要求3 所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）的温度为25-35℃。
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