CN107660005B - 光纤微加热器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤微加热器，包括：光纤，具有出光端面，用于接收并传导光信号至所述出光端面；金属电极，覆盖于所述光纤设有出光端面的端部；石墨烯层，覆盖于所述覆盖有金属电极的光纤的出光端面上。本发明还涉及光纤微加热器的制备方法，包括：在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极；提供覆有石墨烯的金属基底，并将石墨烯从金属基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜；将所述制作有金属电极的光纤的出光端面穿过所述石墨烯薄膜；将所述穿过石墨烯薄膜的光纤取出并烘干。因为石墨烯的导热性能非常优异，从而可以实现热量的快速传递，提高了加热效率；并且，由于光纤的尺寸小和柔韧性好，使得光纤微型加热器可以实现小范围内的定点加热。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及一种光纤微加热器及制法。
背景技术
目前，随着光纤在光电子技术领域的广泛应用，光纤的制备以及相关的技术也是日趋成熟，其中，光纤的热调控器件的制备就是一项非要重要的技术。
传统的光纤热调控器件采用金属电极作为热源，但是金属电极对于光的传输有着很大的影响，从而以金属电极作为热源时的加热效率也相对较低。并且对于加热区域非常小的光纤热调控器件，目前已有的测温手段，例如红外测温计、热电偶等，无法精确测量其实际温度。这直接影响着光纤热调控器件的性能和操作效率，从而也使得光纤热调控器件的改进迫在眉睫。
发明内容
基于此，有必要针对加热效率低的问题，提供一种光纤微加热器及制备方法。
一种光纤微加热器，用于实现热量的快速传递，包括：
光纤，具有出光端面，用于接收并传导光信号至所述出光端面；
金属电极，覆盖于所述光纤设有出光端面的端部；
石墨烯层，覆盖于所述覆盖有金属电极的光纤的出光端面上。
在其中一个实施例中，所述石墨烯的层数为3～5层。
在其中一个实施例中，所述金属电极包括金电极、锌电极、银电极中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述光纤的直径为125μm～140μm。
在其中一个实施例中，所述金属电极的厚度为20～200nm。
一种光纤微加热器的制备方法，包括：
在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极；
提供覆有石墨烯的金属基底，并将石墨烯从金属基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜；
将所述制作有金属电极的光纤的出光端面穿过所述石墨烯薄膜；
将所述穿过石墨烯薄膜的光纤取出并烘干。
在其中一个实施例中，所述在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极的步骤，包括：
利用切割刀将光纤的出光端面切平；
将所述光纤清洗干净后放置于镀膜仪中镀上金属膜；
利用研磨膜刮擦所述镀上金属膜的光纤侧面使金属膜分成相互隔离的两部分；
将所述光纤的端面上的金属膜沿着侧面刮擦的痕迹挑开，制作成一对金属电极。
在其中一个实施例中，所述金属电极的间距为15～50μm。
在其中一个实施例中，所述将石墨烯从金属基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜的步骤，包括：
利用湿法转移技术将3～5层石墨烯从铜基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜。
在其中一个实施例中，所述将所述制作有金属电极的光纤穿过所述石墨烯薄膜的步骤，包括：
将所述制作有金属电极的光纤的出光端面朝下放置，并固定在高度平移台上，调节所述高度平移台，使所述制作有金属电极的光纤的出光端面穿过所述石墨烯薄膜。
上述光纤微加热器及制法，通过采用石墨烯作为导热材料，从而可以实现热量的快速传递，提高加热效率；并且，由于光纤的尺寸小和柔韧性好，使得微型加热器可以用于特殊场景，实现定点加热；由于光纤微加热器基于光纤，所以该光纤微加热器可以很好的与现有光线系统匹配，并且光纤微加热器制作简单，成本低廉，无需其他的复杂工艺。
附图说明
图1为一实施例中的光纤微加热器示意图；
图2为一实施例中的光纤微加热器的制备方法流程图；
图3为图2中在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极的流程图；
图4为一实施例中的光纤微加热器在显微镜下的图像；
图5为光纤微加热器的电阻随电极间距的关系图；
图6为光纤微加热器的温度随电流的关系图；
图7为石墨烯在电流为0mA时的拉曼谱；
图8为石墨烯在电流为9mA时的拉曼谱。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
如图1所示的为一实施例中的光纤微加热器的示意图。该光纤微加热器用于实现热量的快速传递，可以包括光纤100、金属电极200以及石墨烯层300。其中，光纤100具有出光端面400，用于接收并传导光信号至所述出光端面400；金属电极200，覆盖于光纤100设有出光端面400的端部；石墨烯层300，覆盖于所述覆盖有金属电极200的光纤100的出光端面400上。
光纤100可以为商用单模光纤、多模光纤，光纤100可以是石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤(如塑料包层、液体纤芯等)、红外材料等。光纤100的直径可以为125μm～140μm，光纤100的端部被剥离的保护层的长度可以为5～10cm，光纤100的长度可根据实际需要截取。
金属电极200可以通过镀膜仪覆盖在光纤100的侧面和出光端面400上，金属电极200可以是金电极、银电极、锌电极等。金属电极200的厚度可以为20～200nm。
石墨烯层300可以通过湿法转移技术覆盖在制作有金属电极200的光纤100的出光端面400上。石墨烯层300的层数可以为3～8层。
优选地，光纤100的直径为125μm，光纤100为单模光纤，光纤100的长度为0.5m，光纤100的端部被剥离的长度为5cm。金属电极200为金电极，金属电极200的厚度为100nm。石墨烯层的层数为3～5层。
上述实施例通过在光纤端面上制作电极对的方式，实现了在小尺度范围内的定点加热；通过采用石墨烯作为导热材料，从而可以实现热量的快速传递，提高了加热效率；并且微加热器的制作方法简单，无需过多的复杂工艺，进而可以使得成本较为低廉。
如图2所示，为一实施例中的光纤微加热器的制备方法流程图，包括：
步骤S100，在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极。
在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极。在一个实施例中，如图3所示，为图2中在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极的流程图，包括：
步骤S110，利用切割刀将光纤的出光端面切平。
具体的，取一段0.5m的光纤，剥除光纤一段长度为5cm的保护层，用切割刀将光纤的出光端面切平，将出光端面切平的光纤置于超声清洗器中用清水清洗，然后再用乙醇浸泡清洗。
步骤S120，将所述光纤清洗干净后放置于镀膜仪中镀上金属膜。
将所述光纤清洗干净后放置于镀膜仪中镀上金属膜。具体的，将用乙醇浸泡清洗干净后的出光端面切平的光纤放置于镀膜仪中镀上金膜，通过控制镀膜仪的电流的大小和时间，使得金属膜的厚度为100nm左右。
步骤S130，利用研磨膜刮擦所述镀上金属膜的光纤侧面使金属膜分成相互隔离的两部分。
利用研磨膜刮擦所述镀上金属膜的光纤侧面使金属膜分成相互隔离的两部分。具体的，利用两片金刚石研磨薄膜夹住镀有金膜的光纤侧面，轻轻刮擦，使得侧面的金膜分成相互隔离的两部分。
步骤S140,将所述光纤的端面上的金属膜沿着侧面刮擦的痕迹挑开，制作成一对金属电极。
将所述光纤的端面上的金属膜沿着侧面刮擦的痕迹挑开，制作成一对金属电极。具体的，将光纤的出光端面放置在显微镜下，利用钨探针沿着侧面刮擦的痕迹将穿过光纤纤芯的金属膜挑开，完成金属电极的制作，请参照图4，为一对制作好的金属电极在显微镜下的图像。
在一个实施例中，金属电极的间距为15～50μm，优选地，金属电极为金电极，金属电极的间距为20μm。
步骤S200，提供覆有石墨烯的金属基底，并将石墨烯从金属基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜。
提供覆有石墨烯的铜基底，利用湿法转移技术将3～5层石墨烯从铜基底上转移至去离子水中。具体的，取铜基底石墨烯一片，裁剪一片1cm*1cm大小的规则形状，取10ml铜箔刻蚀液于培养皿，将裁剪好的铜基底石墨烯放于铜箔刻蚀液的上表面，刻蚀30分钟后，铜箔刻蚀干净，用PET基片将刻蚀完成后的石墨烯层转移至去离子水中。
步骤S300，将所述制作有金属电极的光纤的出光端面穿过所述石墨烯薄膜。
具体的，将制作有一对金电极的光纤端面朝下放置，并固定在高度平移台上，光纤端面对准漂浮的石墨烯薄膜的正上方，缓慢调节下调高度位移台，使制作有金属电极的光纤的出光端面穿过石墨烯薄膜。
步骤S400，将所述穿过石墨烯薄膜的光纤取出并烘干。
将所述穿过石墨烯薄膜的光纤取出并烘干。具体的，将所述穿过石墨烯薄膜的光纤从去离子水中缓慢取出，并放置于鼓风干燥箱或真空干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为20℃～80℃，时间为1h～10h。
为了证明本发明能实现快速的热量传递和对光纤微加热器加热部位温度的准确测量，这里通过实验加以论证。
如图5所示，为光纤微加热器的电阻随电极间距的关系图。这里以金属电极为金电极，光纤的直径为125μm，金电极的间距为20μm为例，通过comsol软件加公式模拟计算光纤微加热器的温度。具体的，根据焦耳热效应，该光纤微加热器的加热功率P满足P＝I2R，根据此公式得到Pheating＝I2RFG，
其中I为加载电流的大小，R为微加热器的电阻；
其中，光纤微加热器的电阻由两部分组成：石墨烯的薄膜电阻RG和金电极与石墨烯的接触电阻Rcon；
RFG＝RG+RCon＝RsL/w+2Rc/w
Rs代表石墨烯的薄膜电阻，Rc是石墨烯和金电极的接触电阻率，L代表金电极的间距，w表示接触部分的宽度。
如图5所示，为了测量光纤微加热器的电阻，制作了不同电极间距的样品，并测得对应的电阻值，并制作了不同w的样品，同时测得了RFG。通过线性拟合得到的结果，同时根据方程RFG＝RG+RCon＝RsL/w+2Rc/w，获得了RS＝2000Ω，RC＝1000Ω·μm。当电极间距为20μm时，测得光纤微加热器的电阻为300Ω。当加载电流由0mA逐渐增加到9mA时，根据公式Pheating＝I2RFG，加热功率由0mW增加到24.3mW。通过comsol软件模拟计算了光纤微加热器的温度随着电流的变化关系，如图6所示，当电流为9mA时，光纤微加热器的温度达到了900K。
更进一步的，由于光纤的直径为125μm，并且金电极的间距为20μm，其加热区域非常的小，目前的测温手段，例如红外测温计、热电偶等，无法准确测量其实际温度。但是石墨烯的拉曼峰会随着温度的变化而发生移动，这里通过观测拉曼谱的移动来估算石墨烯的实际温度。
石墨烯G峰随着温度的关系如下：
ω＝ω0+χT
其中ω0代表温度为0K时石墨烯G峰的位置，χ则是温度的一阶系数。石墨烯的G峰随着温度的升高是发生蓝移。对于3～5层石墨烯而言，χ的取值一般为-0.02cm-1K-1。图7则是当电流为0mA时，石墨烯的拉曼谱，从图中可以看出，此时G峰的位置为1591.8cm-1，图8则是电流为9mA时，石墨烯的拉曼谱，此时G峰的位置为1579.7cm-1，通过计算可以知道，温度的升高导致G峰的拉曼谱移动了12.1cm-1，由公式ω＝ω0+χT可知，此时石墨烯层的温度升高了605K，因为0mA时为室温取25摄氏度，大致为300K，所以当电流为9mA时，石墨烯层的温度达到900K，所以光纤微加热器的温度达到了900K，与模拟计算的结果相一致。
上述实施例，通过在光纤的出光端面上制作电极对的方法，实现了在125μm的小尺度范围内获得加载所需的电流；通过采用石墨烯作为导热材料，在加载电流后，可以在很小的加热功率下，达到900K的高温，从而实现了热量的快速传递，大大提升了电加热的效率；并且由于光纤的尺寸小和柔韧性好，所以此光纤微加热器可以实现小范围内的定点加热；并且由于基于光纤，所以可以很好的与现有的光纤系统匹配；同时，光纤微加热器制作简单，成本低廉，无需过多的复杂工艺。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光纤微加热器，用于实现热量的快速传递，其特征在于，包括：
光纤，具有出光端面，用于接收并传导光信号至所述出光端面；
金属电极，覆盖于所述光纤设有出光端面的端部；
石墨烯层，覆盖于所述覆盖有金属电极的光纤的出光端面上；
所述光纤微加热器通过获取所述石墨烯层在不同加载电流下拉曼谱的移动距离来获取所述石墨烯层升高的温度、并根据所述升高的温度获取所述光纤微加热器出光端面的温度；
所述升高的温度的计算公式为：
ω＝ω0+χT；
其中，ω0代表第一加载电流下石墨烯G峰的位置，χ是温度的一阶系数，ω代表第二加载电流下石墨烯G峰的位置，T表示升高的温度。
2.根据权利要求1所述的光纤微加热器，其特征在于，所述石墨烯层的层数为3～5层。
3.根据权利要求1所述的光纤微加热器，其特征在于，所述金属电极包括金电极、锌电极、银电极中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的光纤微加热器，其特征在于，所述光纤的直径为125μm～140μm。
5.根据权利要求1所述的光纤微加热器，其特征在于，所述金属电极的厚度为20～200nm。
6.一种光纤微加热器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极；
提供覆有石墨烯的金属基底，并将石墨烯从金属基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜；
将所述制作有金属电极的光纤的出光端面穿过所述石墨烯薄膜；
将所述穿过石墨烯薄膜的光纤取出并烘干；
其中，所述光纤微加热器通过获取所述石墨烯层在不同加载电流下拉曼谱的移动距离来获取所述石墨烯层升高的温度、并根据所述升高的温度获取所述光纤微加热器出光端面的温度；
所述升高的温度的计算公式为：
ω＝ω0+χT；
其中，ω0代表第一加载电流下石墨烯G峰的位置，χ是温度的一阶系数，ω代表第二加载电流下石墨烯G峰的位置，T表示升高的温度。
7.根据权利要求6所述的光纤微加热器的制备方法，其特征在于，所述在出光端面切平的光纤上制作一对金属电极的步骤，包括：
利用切割刀将光纤的出光端面切平；
将所述光纤清洗干净后放置于镀膜仪中镀上金属膜；
利用研磨膜刮擦所述镀上金属膜的光纤侧面使金属膜分成相互隔离的两部分；
将所述光纤的端面上的金属膜沿着侧面刮擦的痕迹挑开，制作成一对金属电极。
8.根据权利要求7所述的光纤微加热器的制备方法，其特征在于，所述金属电极的间距为15～50μm。
9.根据权利要求7所述的光纤微加热器的制备方法，其特征在于，所述将石墨烯从金属基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜的步骤，包括：
利用湿法转移技术将3～5层石墨烯从铜基底上转移至去离子水中形成石墨烯薄膜。
10.根据权利要求7所述的光纤微加热器的制备方法，其特征在于，所述将所述制作有金属电极的光纤穿过所述石墨烯薄膜的步骤，包括：
将所述制作有金属电极的光纤的出光端面朝下放置，并固定在高度平移台上，调节所述高度平移台，使所述制作有金属电极的光纤的出光端面穿过所述石墨烯薄膜。
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