CN109752791A - 一种微流通道与光波通道混合集成的双芯光纤及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双光学通道以及光学通道与物质微流通道复合集成的新型光纤及其制备方法。这种光纤将空气孔与光波导彼此复合嵌套，构成了一种新型微结构光纤，为实现这种集成的光纤器件提供了新的光纤基础材料。各种物理、化学、生物参量的高精度传感检测和高性能的全光调控器件都需要依靠光与物质的高效相互作用，以形成光波信息与物质、环境特征相互间的信息充分交换，从而达到提高传感检测精度、增强功能集成、提高器件性能的目的。本发明提供的是一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，所述光纤包含一个或多个空气孔作为微流物质通道，两个纤芯作为光波导通道，这种新型光纤可用于构造微流集成器件，实现微流传感和测量。

Description

一种微流通道与光波通道混合集成的双芯光纤及制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤。

背景技术

近年来一些新型结构和新材料光纤不断涌现，如光子晶体光纤[P.St.J.Russell,Photonic-Crystal Fibers,Journal of lightwave technology,vol.24,pp.4729-4749,2006；D.-I.Yeom,H.C.Park,I.K.Hwang,and B.Y.Kim,Tunable gratings in a hollow-core photonic bandgap fiber based on acousto-optic interaction,OpticsExpress,vol.17,pp.9933-9939,2009]、多芯光纤[Saitoh K,Matsuo S.Multicore fibersfor large capacity transmission.Nanophotonics,2013,2(5-6):441-454]、手性光纤[V.I.Kopp andA.Z.Genack,Chiral fibres:Adding twist,Nat Photon,vol.5,pp.470-472,2011]、硫系光纤、超颖(Metamaterial)光纤等。这些光纤的出现，为光纤技术的发展和应用注入了新的生命力。微结构光纤通过内嵌的微结构，一方面，为光纤器件带来了大量的新属性(无限截止单模，反常色散，高非线性等)；另一方面，也为基于光-物质、光-声、光-机械等相互作用的跨学科应用提供了灵活的新平台。近些年来，新型微结构光纤及器件，在光传输、光传感、光谱学、非线性光学、量子光学等领域得到了日益广泛的应用；开拓了在光纤上或光纤内部构造微实验室(Lab-in/on-fiber)的新方向，分布式气体检测，空分复用，光纤全光器件，光纤物质传送[O.A.Schmidt,T.G.Euser,andP.S.J.Russell,Mode-basedmicroparticle conveyor belt in air-filled hollow-core photonic crystal fiber,OpticsExpress,vol.21,pp.29383-29391,2013]等新的研究方向，推进了光纤技术从单纯的传输型器件向集成的多功能器件平台方向发展。微结构光纤在功能上的优势主要体现在：它突破了传统光纤主要作为光信息传输器件的功能局限性，在材料和结构上有更高的设计自由度，因此能够展现更多的灵活性，并在基于光信息获取与执行功能上体现了更深更广的物理背景。

当前对微结构光纤与器件的研究主要有以下两个方面：一方面是对光纤结构及材料的拓展与利用。功能材料的进一步复合扩展了传统光纤的功能，发展了各种有源光纤和新功能传感光纤。另一方面，美国麻省理工学院Y.Fink研究小组将有机材料、导体材料、半导体材料等多种材料集成在一根光纤中，发展了化学传感光纤、分布式温度传感光纤等多种新型多材料集成光纤，丰富了光纤的种类，开拓了光纤技术发展的新方向。

此外，利用基于各种机理的光和物质的相互作用，在新型微结构光纤的基础上，通过对光纤结构、材料及内嵌空间的复合应用和深度研究，可以进一步实现器件的功能集成，为微结构光纤技术的发展与新器件的构造提供了广阔的发展空间。

无论是各种物理、化学、生物参量的高精度传感检测，还是高性能的全光调控器件，都需要依靠光与物质的高效相互作用，以形成光波信息与物质、环境特征相互间的信息充分交换，从而达到提高传感检测精度、增强功能集成、提高器件性能的目的，基于光与物质相互作用的微结构光纤器件亦是如此。

采用带隙光波导机制，P.Russell发明了中空光子晶体光纤(P.Russell,Photoniccrystal fibers,Science,299:358-362,Jan.2003)，这种光纤可以极大地提高光与微流物质的相互作用，由于对于带隙结构的要求严格，因而光子晶体光纤的制备的工艺难度比较高，此外，由于多孔带隙微结构的存在也使得这种光纤在导入微流液体时很容易将液体浸润到微结构中，应用起来较为困难。

2000年，C.E.Kerbage等人报道了一种环绕中心纤芯的六孔光纤[C.E.Kerbageet.al.,Experimental and scalar beam propagation analysis of an air-silicamicrostructure fiber,Opt.Express,7,113-122,2000]，这种光纤的高掺杂纤芯外面有低折射率包层，同时在包层上有六个较大的空气孔，空气孔中可填充各种不同特性的材料以形成各种光纤器件。这种光纤在用于微流测量时，一方面，由于纤芯与孔中的微流有较大的间距，削弱了光与物质的相互作用；另一方面，由于光纤近有一个纤芯，难于在同一根光纤上构造双光路干涉仪。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤及制备方法。该光纤制备工艺成熟，设计简单易于加工，既能提高光与微流物质相互作用，又能很大程度上减小器件尺寸，在物理、化学、生物等领域均能得到广泛的应用。

本发明的目的是这样实现的：一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，包括空气孔、第一纤芯、第二纤芯，三者被包层紧密包裹。第一纤芯位于中心位置与空气孔相邻，用于增强纤芯中光波的倏逝场与微流物质的相互作用，第二纤芯位于第一纤芯侧边且远离空气孔，作为光波的参考或对比通道。所述的空气孔为微流物质通道，第一纤芯和第二纤芯作为光波导通道。

进一步的，所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，对于只有一个微流物质孔的双芯光纤，为了增强微流物质与倏逝光场的相互作用，其第一纤芯也可以扩展成弧形的光波导。

进一步的，所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，对于只有一个微流物质孔的双芯光纤，为了增强微流物质与倏逝光场的相互作用，同样可以采用上述制备方法制作一种具有两个微流物质通道孔的双心光纤，该光纤具有两个对称的空气孔，同时还具有第一纤芯和第二芯作为光波导通道。

进一步的，所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，对于有两个对称的微流物质孔的双芯光纤，为了增强微流物质与倏逝光场的相互作用，其第一纤芯也可以扩展成矩形光波导。

一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

1)在普通光纤预制棒距离中心纤芯处具有一定距离D处加工一个偏心孔；

2)然后采用MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition，改良的化学气相沉积法)技术制备一根纤芯预制构件，该纤芯预制构件与步骤1)中的光纤预制棒的中心纤芯参数相同，直径小于步骤1)中的偏心孔直径；将该光纤芯预制构件插入偏心孔内；

3)接着通过将插有边芯构件的光纤预制棒进行二次高温烧结，形成一根具有一个中心纤芯和一个边芯的双芯光纤预制棒，烧结过程中加负压以便将插芯构件周围的残余空气排出；

4)在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处加工一个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，最后，将制备好的光纤预制棒装卡在拉丝机上进行熔融拉丝，在拉丝过程中，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，为了阻止空气孔的塌缩，需要在预制棒的上端施加正压力P以平衡熔融预制棒表面张力导致的塌缩；通过上述步骤，能制备初带有微流物质通道孔的双芯光纤。

5)进一步的，在步骤2)中，在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处对称加工两个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，即可以制备出具有两个微流物质通道孔的双心光纤。

本发明提供了一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤及制备方法，该光纤能实现光与微流物质高效相互作用，又能将干涉仪光路集成在同一根光纤上，可用于构造微流集成器件，实现微流传感和测量，可用于制作集成在一根光纤上的微型光学干涉仪，实现流体物质中的浓度、折射率、化学物质等的实时监测与测量。

附图说明

图1是单孔微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤；

图2是双芯光纤预制棒制备示意图；

图3是用于制备单孔微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤的预制棒结构示意图；

图4是单孔微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤的制备过程示意图；

图5是具有两个微流物质通道对称双孔与光波通道混合集成的双芯光纤的示意图；

图6是具有倏逝场增强的弧形波导单孔微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤示意图；

图7是具有倏逝场增强的矩形波导双孔微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤示意图；

图中：1-1是微流物质通道孔，1-2是与微流物质相互作用的光波通道纤芯，1-3是光波的参考或对比通道纤芯，远离微流物质通道。

4-1是光纤预制棒，4-2是高温石墨炉，4-3是拉制出来的光纤。

8-1是环形纤芯，8-2是微流物质通道孔，8-3是光波的参考或对比通道纤芯，远离微流物质通道。

具体实施方式

如图1所示：

一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，包括空气孔、第一纤芯、第二纤芯，三者被包层紧密包裹。第一纤芯1-2位于中心位置与空气孔相邻，用于增强纤芯1-2中光波的倏逝场与微流物质的相互作用，第二纤芯1-3位于第一纤芯侧边且远离空气孔，作为光波的参考或对比通道。所述的空气孔1-1为微流物质通道，第一纤芯1-2和第二纤芯1-3作为光波导通道。

如图5所示：

进一步的，所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，对于只有一个微流物质孔的双芯光纤，为了增强微流物质与倏逝光场的相互作用，其第一纤芯5-1也可以扩展成弧形的光波导。

如图6所示：

进一步的，所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，对于只有一个微流物质孔的双芯光纤，为了增强微流物质与倏逝光场的相互作用，同样可以采用上述制备方法制作一种具有两个微流物质通道孔的双心光纤，该光纤具有两个对称的空气孔6-1和6-2，同时还具有第一纤芯和第二芯作为光波导通道。如图7所示：

进一步的，所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，对于有两个对称的微流物质孔的双芯光纤，为了增强微流物质与倏逝光场的相互作用，其第一纤芯也可以扩展成矩形光波导7-1。

一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

(1)在普通光纤预制棒距离中心纤芯处具有一定距离D处加工一个偏心孔；如图2所示；

(2)然后采用MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition，改良的化学气相沉积法)技术制备一根纤芯预制构件，该纤芯预制构件与步骤(1)中的光纤预制棒的中心纤芯参数相同，直径小于步骤(1)中的偏心孔直径；将该光纤芯预制构件插入偏心孔内；

(3)接着通过将插有边芯构件的光纤预制棒进行二次高温烧结，形成一根具有一个中心纤芯和一个边芯的双芯光纤预制棒，烧结过程中加负压以便将插芯构件周围的残余空气排出；

如图3所示；

(4)在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处加工一个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，最后，将制备好的光纤预制棒装卡在拉丝机上进行熔融拉丝，在拉丝过程中，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，为了阻止空气孔的塌缩，需要在预制棒的上端施加正压力P以平衡熔融预制棒表面张力导致的塌缩；通过上述步骤，能制备初带有微流物质通道孔的双芯光纤。

如图4所示：

(5)进一步的，在步骤(2)中，在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处对称加工两个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，即可以制备出具有两个微流物质通道孔的双心光纤。

实施例1：

步骤(1)在普通光纤预制棒距离中心纤芯处具有一定距离D处加工一个偏心孔；

步骤(2)然后采用MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition，改良的化学气相沉积法)技术制备一根纤芯预制构件，该纤芯预制构件与步骤(1)中的光纤预制棒的中心纤芯参数相同，直径小于步骤(1)中的偏心孔直径；将该光纤芯预制构件插入偏心孔内；

步骤(3)接着通过将插有边芯构件的光纤预制棒进行二次高温烧结，形成一根具有一个中心纤芯和一个边芯的双芯光纤预制棒，烧结过程中加负压以便将插芯构件周围的残余空气排出；

步骤(4)在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处加工一个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，最后，将制备好的光纤预制棒装卡在拉丝机上进行熔融拉丝，在拉丝过程中，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，为了阻止空气孔的塌缩，需要在预制棒的上端施加正压力P以平衡熔融预制棒表面张力导致的塌缩；通过上述步骤，能制备初带有微流物质通道孔的双芯光纤。

步骤(5)进一步的，在步骤(2)中，在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处对称加工两个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，即可以制备出具有两个微流物质通道孔的双心光纤。

Claims (4)

1.一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤，如图1所示。其特征是：所述光纤包含一个空气孔作为微流物质通道1-1，两个纤芯1-2和1-3作为光波导通道，纤芯1-2与微流物质通道紧邻，以便增强纤芯1-2中光波的倏逝场与微流物质的相互作用，纤芯1-3远离微流物质通道，可作为光波的参考或对比通道。

2.一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤制备方法。其特征是：

(1)在普通光纤预制棒距离中心纤芯处具有一定距离D处加工一个偏心孔；

(2)采用MCVD技术制备一根纤芯折射率和芯径与(1)中所述光纤预制棒参数相同的光纤插芯预制构件，该预制构件的外径略小于(1)中的偏心孔的直径，以便于能方便的将插芯预制构件嵌入(1)中所述的光纤预制棒，如图2所示；

(3)通过将插有边芯构件的光纤预制棒进行二次高温烧结，形成一根具有一个中心纤芯和一个边芯的双芯光纤预制棒，烧结过程中加负压以便将插芯构件周围的残余空气排出；

(4)在所制备的双芯光纤预制棒上靠近中心纤芯处加工一个直径较大的空气孔，制备成带有较大空气孔的光纤预制棒，如图3所示；

(5)将制备好的光纤预制棒装卡在拉丝机上进行熔融拉丝；

(6)在拉丝过程中，随着温度的升高，熔融的光纤预制棒中偏心空气孔会逐渐塌陷，为了阻止空气孔的塌缩，需要在预制棒的上端施加正压力P以平衡熔融预制棒表面张力导致的塌缩，如图4所示，最终形成带有微流物质通道孔的双芯光纤。

3.根据权利要求2所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤及其制备方法，如图5所示，其特征是：所述的光纤可以是具有对称的两个空气孔5-1和5-2的双芯光纤。

4.根据权利要求2所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤及其制备方法，其特征是：所述的单孔光纤的中心纤芯6-1可以是弧形的光波导，如图6所示，或者对于所述的双孔双芯光纤的中心纤芯7-1可以是矩形光波导，如图7所示。