CN111290071B - 一种半导体芯光纤制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤制备方法，涉及半导体领域，准备至少两个光纤嵌件；将所述至少两个光纤嵌件设置于玻璃套管的空腔内，形成预制棒，在高温下热拉制所述预制棒得到组装光纤；对组装光纤进行局部加热，使得至少部分光纤嵌件材料熔缩成微球，并逐渐成为有序的离散状态，未熔缩的光纤嵌件为棒状，控制微球相互接触构成连通状态，或者微球与未熔缩的棒状光纤嵌件相互接触构成连通状态，进而形成纤维阵列。本发明用于实现半导体光纤的制备以及光纤内内半导体纤维的组装，能够将半导体材料、金属材料、玻璃材料有机结合起来，复合在柔性光纤内，制备得到的多材料半导体纤维阵列结构多样，可实现光纤内的高速、高灵敏度光电探测功能。

Description

一种半导体芯光纤制备方法

技术领域

本发明涉及半导体芯光纤领域，特别涉及一种多材料半导体芯光纤的制备方法。

背景技术

随着以半导体硅、锗为主要基质材料的光电子技术的快速发展，多功能、高度集成化的光电子器件已经成为光电子领域的核心元器件。半导体硅具有熔点高、硬度大、性质稳定、热敏性及光敏性优等多种优点，基于硅芯的光纤具有导热系数高、光损伤阈值高、传输损耗低等诸多优势。此外，由于硅材料中的超高非线性，硅芯光纤能在很短的长度内产生显著非线性效应，从而，硅芯光纤经常被用于中红外光子学及非线性光学等领域。而锗也同样具有优异的半导体性能，其折射率高、中红外传输窗口范围大、克尔非线性系数高，锗的空穴迁移率是硅的四倍，电子迁移率是硅的两倍，且具有较小的禁带宽度，有助于组合介电材料。基于硅、锗等半导体材料集成的光电子器件具有体积小、重量轻、寿命长、机械稳定性好等优点，可广泛应用于光电子学领域。但是，无机半导体材料的杨氏模量高，其刚度限制了在很多领域的应用。而基于有机薄膜或高聚物光纤的柔性半导体器件就能满足这些要求。这其中，光纤状半导体器件可实现三维扭曲形变，编成织物后可以实现更多复杂的应用功能，引起了人们的极大研究兴趣。由于无机非金属玻璃比高聚物材料能够在更高的温度下使用，在传统的玻璃光纤中引入半导体材料就能够满足以上的要求。

半导体芯光纤是以一种或多种半导体材料为纤芯，玻璃材料作为包层的特种光纤，既具有光纤原有的体积小、耐腐蚀、优良的柔韧性、超长的单次制备长度、单位长度制备成本低等优点，又具有半导体材料特有的红外透光性和光电响应特性。在半导体光纤的基础上进一步处理获得尺寸单一、结构有序、微米甚至纳米尺寸的半导体微球将在全光信号处理、非线性光学、光学传感、能量传输、光电探测及生物医学等领域具有广泛的应用前景。

近年来，多材料光纤的发展和光纤内材料处理技术的发展为光纤的发展开辟了一个新的领域，使光纤具有除光学性能之外的其他性能。与传统的具有典型圆柱芯包结构的光纤相比，多材料功能光纤对光纤内部结构的复杂性要求更高。利用传统的基于微流体的技术所生成得纳米颗粒在纳米尺度上会受到限制，而且反应难以控制，很难生成大小均匀的颗粒；而使用光学捕获、光电镊子、远场和近场俘获等可对流体介质中样品进行精确操控的方法，对光纤内的颗粒进行操纵也具有较大的挑战。因此，该研究领域迫切需要一种可以精确操纵和迁移光纤内颗粒的方法。

目前半导体芯光纤的制备方式主要有两种。一种是美国宾州州立大学的Badding团队最早在2006年采用高压化学气相沉积法将硅和锗沉积在微结构光子晶体光纤中，该方法制备的光纤纤芯呈非晶形态而且长度受限，仅能实现厘米级的半导体芯光纤，同时还需要采用后续处理提高纤芯结晶度。该方法的局限在于只适用于在光纤内能够气相合成的半导体材料，受限于高压设备与制备工艺，对于光纤内复杂的光电探测器件制备方面存在很大难度。

另一种是美国克莱姆森大学的Ballato团队在2008年首次采用的熔芯法将半导体材料置于玻璃套管内得到预制棒在高温下热拉制，该方法的优点是可以极大扩宽可实现的纤芯材料范围，避免某些多组分纤芯玻璃拉制时的不可控析晶。该方法的局限在于没有光纤内结构调控，无半导体阵列和颗粒结构。

中国发明专利CN109669232A公开了单晶半导体芯光纤及其制备方法，其利用激光拉丝系统将内径微米尺寸的毛细管收缩在半导体芯的表面，但是存在纤芯连续性差、芯包比不稳定等问题。

中国发明专利CN106116135A公开了一种纯硅芯低损耗光纤的制造方法，采用MCVD对掺氟沉积管的内壁进行蚀刻，在掺氟沉积管内沉积二氧化硅并进行玻璃化，形成二氧化硅芯层，再熔缩为实心的芯棒，在所述芯棒的外部沉积二氧化硅，形成外包层，制成纯硅芯光纤预制棒；将该预制棒进行拉丝，制成纯硅芯低损耗光纤，该方案不适用于多材料半导体光纤的制备。

中国发明专利CN110228790A公布了一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，仅适用于硒、碲、硒化砷等低熔点的半导体及其混合物，并未涉及硅、锗等相对高熔点的半导体材料。

现阶段半导体器件的光纤内组装主要针对一种或两种半导体材料进行研究，结构比较单一，尚未开发多组合、多结构的光纤内半导体器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种半导体芯光纤的制备方法，能够实现对多材料半导体光纤内的纤维内组装，进而实现半导体纤维阵列的制备和多样化。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种半导体芯光纤制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：准备至少两个光纤嵌件，所述至少两个光纤嵌件为半导体单芯光纤、半导体材料芯棒、金属材料芯棒、多种金属材料的组合芯棒、半导体材料和金属材料的组合芯棒中的至少一种；

S2：将所述至少两个光纤嵌件设置于玻璃套管的空腔内，形成预制棒，在高温下热拉制所述预制棒得到组装光纤；

S3：对组装光纤进行局部加热，使得至少部分光纤嵌件材料熔缩成微球，并逐渐成为有序的离散状态，其他未熔缩的光纤嵌件为棒状，控制微球接触构成连通状态，或者微球与未熔缩的棒状光纤嵌件接触构成连通状态，进而组装形成纤维阵列。

优选地，所述玻璃套管的空腔为一个时，所述光纤嵌件按预定的形状堆叠、排布为光纤堆叠件，所述光纤堆叠件放入该一个空腔内；

所述玻璃套管的空腔为至少两个时，所述至少两个光纤嵌件分别放入该至少两个空腔内；或者所述至少两个光纤嵌件中的部分按预定形状堆叠、排布为光纤堆叠件，所述光纤堆叠件和光纤嵌件，分别放入该至少两个空腔内；或者所述至少两个光纤嵌件中的部分预定形状堆叠、排布为至少两个光纤堆叠件，所述至少两个光纤堆叠件分别放入所述至少两个空腔内。

优选地，所述步骤S1中的光纤嵌件为半导体单芯光纤，准备所述半导体单芯光纤的步骤，包括将半导体材料纤芯放入第一类玻璃套管内，在高温下热拉制得到半导体单芯光纤。

优选地，所述步骤S1中所述半导体材料芯棒和所述半导体单芯光纤中的纤芯材料为硅(Si)、锗(Ge)、半导体化合物锑化铟(InSb)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)或上述材料的组合；所述金属材料为银丝、铜丝、金丝、铂丝、钨丝或上述材料的组合。

优选地，所述玻璃套管材料为石英玻璃、镧系玻璃或硼硅酸盐玻璃，所述玻璃套管为多层玻璃管套管或单根厚壁玻璃管。

优选地，所述第一类玻璃套管和玻璃套管的材料相同。

优选地，半导体材料纤芯和第一类玻璃套管的形状为六边形、八边形、圆形或矩形，所述半导体材料纤芯形态为棒状、块状、颗粒状或粉末状。

优选地，所述光纤堆叠件或者光纤嵌件与玻璃套管内壁之间的间隙小于等于0.4mm，对于特殊形状的光纤堆叠件，在所述光纤堆叠件与玻璃套管内壁间隙较大的地方放置数根直径匹配的与玻璃套管同材质的毛细管。

优选地，所述光纤堆叠件中还包括与玻璃套管同材质的玻璃棒。

优选地，所述热拉制温度为800℃-2000℃。

优选地，所述热拉制过程中，在加热的同时向预制棒内通入惰性气体或在纤芯中引入氧气消耗剂。

优选地，所述对组装光纤进行局部加热的处理方式为CO₂激光加工、环绕加热、定点加热处理。

优选地，所述纤维阵列为双球型、多球型、包裹型、梭子型或上述类型相应的组合体。

优选地，所述微球直径尺寸为400nm-1000μm。

优选地，所述光纤嵌件为硅芯光纤和锗芯光纤，通过硅微球和锗微球移动和组合，以及控制微球迁移数量、迁移速度及方向处理，使光纤内微球形成硅锗双球结构的PN结。

优选地，所述光纤嵌件为硅芯光纤和锗芯光纤，通过硅微球和锗微球移动和组合形成硅-锗-硅异质横向结构。

优选地，所述光纤嵌件为轻掺杂N型锗棒、铜丝以及铂丝，通过控制微球迁移数量、迁移速度及方向处理，使光纤内微球最终得到肖特基二极管结构。

优选地，所述光纤嵌件为硅芯光纤以及铂丝，所述未熔缩的光纤嵌件为铂丝，通过硅微球正好排布于两根铂丝之间构成联通的阵列。

优选地，所述光纤嵌件为N型硅芯光纤、P型锗芯光纤以及铂丝，所述未熔缩的光纤嵌件为铂丝，通过锗微球、硅微球移动和组合，与铂丝联通构成三极管阵列结构。

优选地，所述光纤嵌件为N型硅芯光纤、P型锗芯光纤和铂丝，所述未熔缩的光纤嵌件为铂丝，利用流体的不稳定性诱导硅微球和锗微球移动，与四根铂丝联通构成结型场效应管结构。

优选地，所述微球为N型硅芯光纤、P型锗芯光纤和铂丝，所述未熔缩的光纤嵌件为铂丝，利用流体的不稳定性进一步诱导硅微球和锗微球移动，与铂丝联通构成金属-氧化物-半导体场效应管结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于本发明在熔芯法制备半导体光纤的基础上，采用局部加热处理进一步获得尺寸可控、高度均匀、结构有序、微米甚至纳米尺寸的半导体微球阵列，实现半导体光纤内多材料的组装，制备成本低、工艺简单可行、流程短、可批量生产。将在全光信号处理、非线性光学、光学传感、能量传输、光电探测及生物医学等领域具有广泛的应用前景。

本发明将棒状半导体插入到与之热性能匹配的玻璃套管中形成光纤预制棒，再将预制棒加热到玻璃的转换温度，同时这个温度还要在半导体纤芯的熔点之上，从而保证纤芯处于熔融状态，热拉制工艺简单可行，拉丝长度可达几十mm/min，解决了高压化学气相沉积和压力辅助填充法制备半导体光纤长度受限的问题。

其次，本发明中的热拉制过程中虽然半导体纤芯已经处于液体状态，但处于粘稠状态的玻璃包层可以起到类似坩埚的作用，盛装熔体并使纤芯半导体材料形成光纤形状，而不需要提前制备微结构光子晶体光纤作为反应腔室，且半导体纤维阵列的形状可控，可依据据不同的应用需求来调整半导体阵列结构。本发明中的半导体纤维阵列可以是由多种半导体材料共同构成，多材料结构的新型复合光纤已成为光纤波导研究领域新的方向，尤其是具有光电性能的半导体和光学性能的光纤，如若能将两者完美有机结合，设计和优化材料组成和新型光纤的结构，在光学波导和光电设备方面有非常重要的意义。

再次，本发明制备出具有玻璃包层、多材料半导体微球阵列芯的光纤，将在光纤原有的优良的柔韧性、超长的单次制备长度、单位长度制备成本低等优点之上，和半导体特有的光电响应能力结合，从而得到光电一体的性能。和目前基于高聚物的柔性光电子材料相比较，半导体芯多材料多功能光纤具有一层耐恶劣环境的玻璃包层，可以在更恶劣的环境中工作，对目前的柔性光电子材料是一个有力的补充。

最后，本发明基于局部加热对半导体光纤内的流体实现非直接接触式的精确控制，加热后将纤芯材料从固态介质转变为理想的流体状态，诱导直径微米甚至纳米级别的光纤内颗粒移动和组合，形成多颗粒、多形态结构，通过精确控制粒子迁移数量、迁移速度及方向从而精确地处理光纤内颗粒并精确控制光纤内复杂组件的重建，且不受材料种类与尺寸的影响。该方案不仅实现光纤内多材料微球结构的组装，也为固体颗粒的操作提供理论基础。本发明利用纤芯的熔点低于包层的软化点的特性，将半导体材料、金属材料、玻璃材料有机结合起来，复合在柔性光纤内，制备得到的多材料半导体光纤微球结构多样，可实现光纤内的高速、高灵敏度光电探测功能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例1示出的一种光纤制备方法流程示意图；

图2是本发明实施例1示出的光纤拉丝装置示意图；

图3a是硅芯光纤的制备过程示意图；

图3b是锗芯光纤的制备过程示意图；

图3c是实施例1示出的组装光纤的制备过程示意图；

图4是本发明实施例1示出的采用激光加热实现半导体器件的光纤内组装示意图；

图5是采用环绕加热实现光纤内组装的示意图；

图6是采用定点加热拉锥实现光纤内组装的示意图；

图7a为多材料半导体光纤内半导体材料组装过程的变化截面示意图；

图7b为多材料半导体光纤内的光纤嵌件材料在组装过程中的变化示意图；

图8a是本发明实施例3示出的多材料半导体光纤内半导体材料组装过程的变化截面示意图；

图8b是本发明实施例3示出的多材料半导体光纤内的光纤嵌件材料在组装过程中的变化示意图；

图9a是本发明实施例4示出的多材料半导体光纤内半导体材料组装过程的变化截面示意图；

图9b是本发明实施例4示出的多材料半导体光纤内的光纤嵌件材料在组装过程中的变化示意图；

图10a是本发明实施例5示出的多材料半导体光纤内半导体材料组装过程的变化截面示意图；

图10b是本发明实施例5示出的多材料半导体光纤内的光纤嵌件材料在组装过程中的变化示意图；

图11a是本发明实施例6示出的多材料半导体光纤内半导体材料组装过程的变化截面示意图；

图11b是本发明实施例6示出的多材料半导体光纤内的光纤嵌件材料在组装过程中的变化示意图；

图12a是本发明实施例7示出的多材料半导体光纤内半导体材料组装过程的变化截面示意图；

图12b是本发明实施例7示出的多材料半导体光纤内的光纤嵌件材料在组装过程中的变化示意图。

图中：1-气压控制接口，2-预制棒卡盘，3-预制棒，4-高温炉，5-激光测径仪，6-滚轮牵引装置，7-切割装置，8-未涂覆的光纤，9-涂覆装置和紫外固化灯，10-收线盘，11-硅棒，12-第一类玻璃套管，13-硅芯光纤，14-锗棒，15-锗芯光纤，16-玻璃棒，17-多材料半导体光纤，18-硅微球，19-锗微球，20-PN结，21-激光加热，22-环绕加热，23-定点加热拉锥，24-双异质结，25-铂丝，26-铜丝，27-肖特PN结，28-金属-半导体-金属联通结构，29-三极管阵列结构，30-结型场效应管，31-金属-氧化物-半导体场效应管。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

一种半导体芯光纤制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：准备至少两个光纤嵌件，所述至少两个光纤嵌件为半导体单芯光纤、半导体材料芯棒、金属材料芯棒、多种金属材料的组合芯棒、半导体材料和金属材料的组合芯棒中的至少一种；

S2：将所述至少两个光纤嵌件设置于玻璃套管的空腔内，形成预制棒，在高温下热拉制所述预制棒得到组装光纤；

S3：对组装光纤进行局部加热，使得至少部分光纤嵌件材料熔缩成微球，并逐渐成为有序的离散状态，其他未熔缩的光纤嵌件为棒状，控制微球接触构成连通状态，或者微球与未熔缩的棒状光纤嵌件接触构成连通状态，进而组装形成纤维阵列。

该每个光纤嵌件的材料可以相同也可以不同，可以是同种也可以是不同种，而当光纤嵌件为半导体单芯光纤时，最后经过局部加热后熔缩成微球的为半导体单芯光纤的芯棒材料，半导体单芯光纤的包层材料与玻璃套管的材料相同。

所述玻璃套管的空腔为一个时，所述光纤嵌件按预定的形状堆叠、排布为光纤堆叠件，所述光纤堆叠件放入该一个空腔内。并且该光纤堆叠件中还可包含玻璃棒，该玻璃棒的材料与玻璃套管的材料相同。

所述玻璃套管的空腔为至少两个时，所述至少两个光纤嵌件分别单个放入该至少两个空腔内；或者所述光纤嵌件中的部分按预定形状堆叠、排布为光纤堆叠件，剩余的管线嵌件仍然为单个，所述光纤堆叠件和光纤嵌件，分别放入该至少两个空腔内；或者所述至少两个光纤嵌件中的部分预定形状堆叠、排布为至少两个光纤堆叠件，所述至少两个光纤堆叠件分别放入所述至少两个空腔内。上述排布和安装方式，可以根据需要设定。

并且局部加热时，每个光纤嵌件均分别熔缩成微球或者保持原样棒状，不同的光纤嵌件微球相互接触形成纤维阵列，或者不同的微球与金属棒连接形成纤维阵列，可以根据需要进行加热和引导。

以下为实施例1：

本发明实施例1提供了一种光纤的制备方法，如图4所示，该光纤的外层为石英玻璃，内层为Si/Ge双球阵列结构。

该光纤的制备方法具体为：

S1：准备光纤嵌件，该实施例中的光纤嵌件为半导体单芯光纤，具体为制备方法为

如图3a、3b所示，取外径2mm、长4cm的硅棒11和锗棒14，取两根外径2mm,长5cm的石英玻璃棒，取两根内径2.1mm、外径40mm、长度30cm的石英管，两根外径40mm、内径30mm的磨砂石英管，将石英管与磨砂石英管用火焰枪熔接后，将石英玻璃棒置于石英管下端，并采用火焰枪将石英管底端加热熔封，再将硅棒11置于石英管内即位于石英玻璃棒的上端，即得到预制棒3，该石英管即为第一类玻璃套管。其中石英玻璃棒置于石英管下端的作用是为了在高温拉丝过程中掉料头后调整拉丝参数，避免直接拉制硅芯光纤13会对硅芯材料产生浪费。磨砂石英管的作用是避免石英管直接置于气体控制接口时，由于炉内高温1800℃-2000℃产生导热过多会熔掉气管接口，磨砂管散热面积大，减少导热、起到保护气管接口的作用。

如图2所示，将预制棒3的上部分由预制棒卡盘2固定，将气压控制接口1套住预制棒3的顶端，其先对预制棒3内抽1.3kpa的负压，目的在于抽走预制棒3内多余的空气，再对预制棒3内持续充入1～3pa的正压，目的在于气氛保护。将预制棒3的底端下棒至高温炉4的加热区。高温炉4先加热至800℃保温半小时，再升温至2000℃，在高温炉4的炉口下方观察光斑变化，料头下至炉口时打开炉口盖，剪掉料头，使光纤依次通过激光测径仪5、滚轮牵引装置6、最后在切割装置7处定长切割半导体光纤。其中拉丝温度是1950℃，送棒速度10mm/min，拉丝速度1.5m/min，得到外径1.8mm，芯径90μm的硅芯光纤13和外径1.8mm、芯径90μm的锗芯光纤15。当然本领域技术人员也可以了解到，该半导体单芯光纤，即硅芯光纤，也可以采用其他方法制备，本领域内现有的技术方案都可以用于制备单芯光导体光纤。

并且上述方法也可以用于制备锗芯光纤，即另一半导体单芯光纤嵌件。

S2：将所述至少两个光纤嵌件设置于玻璃套管的空腔内，形成预制棒，在高温下热拉制得到组装光纤。具体为：

如图3c所示，取5根外径1.8mm、长15cm的玻璃棒16，取第一步得到的硅芯光纤13和锗芯光纤15各15cm，堆叠成正六边形置于外径30mm，内径5.8mm的石英管内，即玻璃套管内。然后在石英管下方放置一根外径5.5mm，长5cm的玻璃棒16，石英管底部用火焰枪熔封，形成预制棒。将该预制棒采用与步骤S1中采用的同样的拉丝装置进行拉丝，其中拉丝温度是1940℃，拉丝过程中要向预制棒内通入惰性气氛保护，送棒速度0.1mm/min，拉丝速度9m/min。得到外径100μm的多材料半导体光纤17，即得到组装光纤，其中硅芯和锗芯芯径均为300nm。该玻璃棒16位石英玻璃棒，即与玻璃套管、以及第一类玻璃套管的材料相同。

S3：对组装光纤进行局部加热，使得至少部分光纤嵌件材料熔缩成微球，并逐渐成为有序的离散状态，得到离散微球，并且控制不同的离散微球接触构成连通状态形成纤维阵列，即对多材料半导体光纤17内微球的制备及其组装。如图4所示，通过CO2激光21加热多材料半导体光纤17的表面，激光光斑大小范围为300μm-550μm，移动速度为10μm/s-50μm/s，使得硅芯光纤和锗芯光纤内的的硅芯和锗芯从固态介质转变为理想的流体状态，形成离散的硅微球和锗微球，利用流体的不稳定性进一步诱导直径400nm的硅微球18和锗微球19移动和组合，通过控制粒子迁移数量、迁移速度及方向处理光纤内微球颗粒相互接触形成硅锗双球结构的PN结20。该实施例中的光纤内制备的即为PN结20。

该实施例中，之所以采用锗芯光纤和硅芯光纤作为光纤嵌件，是因为如果采用锗芯芯棒和硅芯芯棒直接作为光纤嵌件，插入于玻璃套管内，然后进行多材料半导体光纤的拉制，锗芯和硅芯形成的微球尺寸较大，而采用锗芯光纤和硅芯光纤，使得锗芯和硅芯材料在形成半导体单芯光纤时已经拉制一次，形成多材料半导体光纤时，进行了第二次拉制，迭代拉丝，可以减小最终多材料半导体光纤中，即组装光纤中锗芯和硅芯的尺寸，进而能够得到尺寸较小的离散微球。

并且，如图5所示，分别利用环形腔进行环形局部加热的示意图，图6为利用火焰加热拉锥对组装光纤进行局部定点加热的示意图。区别于该实施例1中的激光定点局部加热，都可以作为实现本发明中局部加热的可选实施例。

以下为实施例2：

如图7a、7b所示，该实施例中的需要加工的组装光纤，外层为石英玻璃，内层为Si/Ge/Si异质横向阵列结构。

S1：准备光纤嵌件，该实施例中的光纤嵌件为即初步拉丝制备硅芯光纤13和锗芯光纤15，

S2：将所述至少两个光纤嵌件设置于玻璃套管的空腔内，形成预制棒，在高温下热拉制得到组装光纤。具体为，将外径：内径＝11：5.8mm的石英管与磨砂石英管管用火焰枪熔接后，取外径5.7mm、长5cm的石英玻璃棒置于石英管下端，采用火焰枪将石英管底端加热熔封。其目的在于调节热拉制的工艺参数，降低半导体材料利用率。取2根外径1.8mm、内径420mm的硅芯光纤13；1根外径1.8mm、内径430mm的锗芯光纤15；4根外径1.8mm的石英玻璃棒16堆叠为正六边形置于石英管内，其中该硅芯光纤分别位于锗芯光纤的两侧，其他位置用石英玻璃棒16进行堆叠，得到的预制棒。

将预制棒在1950℃高温下拉丝，拉丝过程中要向预制棒内通入惰性气氛保护，送棒速度8mm/min，拉丝速度3.9m/min，得到外径500μm的多材料半导体光纤17，该多材料半导体光纤17中，其中硅芯和锗芯芯径均为20μm。

S3：对组装光纤进行局部加热，形成纤维阵列。通过CO₂激光21加热石英管外层表面，CO2激光光斑大小范围为20μm-100μm，移动速度为10μm/s-50μm/s，处理硅芯光纤和锗芯光纤中的硅芯和锗芯从固态介质转变为理想的流体状态，形成离散的硅微球和锗微球，利用流体的不稳定性进一步诱导直径为80μm的硅微球和锗微球移动和组合形成硅-锗-硅异质横向结构，其形态为三个并列排布的球型结构。其中图7b为组装光纤内硅芯、锗芯的变化状态示意图，

以下为实施例3：

本发明实施例3提供了一种光纤的制备方法，如图8a、8b所示，制备组装光纤的外层玻璃套管为石英管，光纤内的纤维阵列为肖特基二极管阵列结构。该实施例中的光纤嵌件，为两根铂丝、一根铜丝和一根轻掺杂N型锗棒。

取外径20mm的、长50cm的石英管，该石英管内具有四个空腔，如图8a所示，其中四个空腔从上到下其内径分别为3.1mm、1.6mm、2.1mm和3.1mm，四个空腔长度均为20cm。取外径3mm、长5cm的铂丝25插入石英管的上、下两个空腔内，取外径1.5mm、长5cm的铜丝26和外径2mm、长5cm的轻掺杂N型锗棒插入石英管的中间两个空腔内，形成预制棒。将该预制棒在1980℃高温下拉丝得到具有双铂芯、单铜芯和单锗芯的光纤，送棒速度7mm/min，拉丝速度1.25m/min，得到的多材料光纤外径1.5mm，其中铂芯芯径225μm、铜芯芯径113μm、锗芯芯径150μm。

如图8a、8b所示，通过CO₂激光加热21组装光纤的包层表面，光斑大小范围为170μm-250μm，移动速度为10μm/s-50μm/s，锗芯和铜芯从固态介质转变为理想的流体状态，而铂丝25形态不改变，未熔缩，仍然为棒状，利用流体的不稳定性诱导锗微球和铜球移动，通过控制微球迁移数量、迁移速度及方向处理光纤内颗粒最终得到肖特基二极管结构。

以下为实施例4：

如图9a、9b所示，该组装光纤的外层即玻璃套管为石英管，内层的纤维阵列为硅微球正好排布于两根铂丝25之间构成一个联通的阵列结构。

取外径12mm的、长50cm的石英管，其中心空腔内径为2mm，长20cm、上、下两个空腔内径1.7mm，长20cm。将外径1.9mm，芯径950μm，长10cm的硅芯光纤置于石英管中心空腔内，取外径1.6mm，长10cm的铂丝25置于石英管上下两个空腔内形成预制棒，将该预制棒在1930℃高温下拉丝制备具有硅芯11和铂芯25的多材料光纤，送棒速度为10mm/min，拉丝速度为5.8m/min，得到组装光纤外径500μm，其中硅芯芯径40μm，铂芯芯径67μm。

可采用如图6所示的环绕加热方式对组装光纤进行局部加热，取10-20cm由步骤一得到的组装光纤在加热炉1815℃高温下加热10-20分钟，处理其中的硅芯使其从固态介质转变为理想的流体状态，而铂丝25形态不改变，利用流体的不稳定性诱导硅微球移动，并且同时体积增大为120μm，使得硅微球正好排布于两根铂丝25之间构成一个联通的阵列。

以下为实施例5：

本发明实施例5提供了一种光纤的制备方法，如图10a、10b所示，外层为石英玻璃，内层的纤维阵列为三极管阵列结构29。

高温拉丝制备硅芯光纤和锗芯光纤，具体为：将外径4mm、长度4cm的N型硅棒和P型锗棒分别置于外径15mm、内径4.1mm的石英管内，将两个预制棒3分别在1950℃高温下拉丝得到外径2.0mm，芯径548mm的N型硅芯光纤和P型锗芯光纤。

取外径25mm的石英管，其内部分布着三个直径3.1mm的大空腔和三个直径1.9mm的小空腔，取10cm长的P型锗芯光纤置于石英管中心小空腔内，取两根10cm长的N型硅芯光纤13分别置于中心空腔的上、下两个位置的小空腔内，取三根外径3mm的铂丝25置于石英管上、下和右边位置的大空腔内，得到预制棒。将该预制棒在1980℃高温下拉丝得到外径1mm的组装光纤，其中N型硅芯和P型锗芯芯径分别为22μm，铂芯芯径120μm，其中送棒速度5mm/min，拉丝速度3.1m/min。

取10cm-20cm由上述步骤得到的组装光纤在环形加热炉1800℃高温下加热10分钟-20分钟，处理组装光纤中的N型锗芯和P型硅芯，加热后将两种半导体芯从固态介质转变为理想的流体状态，而铂丝25形态不改变，利用流体的不稳定性诱导直径为88μm的P型锗微球和N型硅微球移动和组合，与铂丝25联通构成三极管阵列结构29。

以下为实施例6：

本发明实施6提供了一种光纤的制备方法，如图11a、11b所示，该光纤外层为石英玻璃，内层的纤维阵列为JFET结型场效应管30阵列。

高温拉丝制备硅芯光纤和锗芯光纤，具体为，将外径4mm、长度4cm的N型硅棒和重掺杂P型锗棒分别置于外径15mm、内径4.1mm的石英管内得到光纤预制棒，将光纤预制棒分别在1950℃高温下拉丝得到外径2.0mm，芯径548μm的N型硅芯光纤和P型锗芯光纤。

取外径25mm的石英管，其内部分布着四个直径3.1mm的大空腔和九个直径1.9mm的小空腔，所述大空腔和小空腔间隔分布呈正方形，其中四个大空腔位于该正方形的四个角落位置，小空腔在正方形内均匀分布，如图11a所示。取两根10cm长的锗芯光纤和七根10cm长的硅芯光纤置于石英管中心的九个小空腔内，取四根外径3mm的铂丝25置于石英管的四个大空腔内得到预制棒，将该预制棒在1980℃高温下拉丝得到外径1.2mm的组装光纤，其中N型硅芯和P型锗芯芯径分别为26μm，铂芯芯径144μm，拉丝时的送棒速度5为mm/min，拉丝速度2.2m/min。

取10cm-20cm由组装光纤在如图6所示的加热炉1800℃高温下加热10分钟-20分钟，加热后将硅芯和锗芯从固态介质转变为理想的流体状态，而铂丝25形态不改变，利用流体的不稳定性进一步诱导P型硅微球和N型锗微球移动，与四个金属电极联通构成一个结型场效应管30结构，其中P型硅微球和N型锗微球的直径为78μm。

以下为实施例7：

本发明实施例7提供了一种光纤的制备方法，如图12a、12b所示，该光纤的外层为石英玻璃，内层为硅、锗双球正好排布于四根钨丝之间构成一个联通的金属-氧化物-半导体场效应管阵列结构。

高温拉丝制备N型硅芯光纤和P型锗芯光纤，将外径4mm、长度4cm的重掺杂的N型硅棒和P型锗棒分别置于外径15mm、内径4.1mm的石英管内，得到光纤预制棒，将将两个预制棒分别在1950℃高温下拉丝得到外径2.0mm，芯径548mm的N型硅芯光纤和P型锗芯光纤。

取外径25mm的石英管，其内部分布着四个直径3.1mm的大空腔和六个直径1.9mm的小空腔，其中三个大空腔位于上方，一个大空腔位于下方，六个小空腔位于上方和下方的大空腔之间。取两根10cm长的硅芯光纤和四根10cm长的锗芯光纤分别置于石英管中心的九个小空腔内，取四根外径3mm的铂丝25置于石英管的四个大空腔内，得到预制棒。将该预制棒在1980℃高温下拉丝得到外径1.2mm的组装光纤，其中N型硅芯和P型锗芯芯径分别为26μm，铂芯芯径144μm，其中送棒速度5mm/min，拉丝速度2.2m/min。

取由上述步骤得到的组装光纤约20cm-40cm，将组装光纤两端固定在支架上，通过氢氧焰局部加热光纤的石英包层表面，调节氢氧焰温度和移动速度，控制火焰横向移动速度为10μm/s-100μm/s，加热后石英包层内的硅芯和锗芯从固态介质转变为理想的流体状态，而铂丝25形态不改变，利用流体的不稳定性进一步诱导P型硅微球和N型锗微球移动，与四个金属电极联通构成一个金属-氧化物-半导体场效应管31结构。

本发明在熔芯法制备半导体光纤的基础上，采用局部加热处理进一步获得尺寸可控、高度均匀、结构有序、微米甚至纳米尺寸的半导体微球阵列，实现半导体光纤内多材料的组装，制备成本低、工艺简单可行、流程短、可批量生产。将在全光信号处理、非线性光学、光学传感、能量传输、光电探测及生物医学等领域具有广泛的应用前景。

本发明将棒状半导体插入到与之热性能匹配的玻璃套管中形成光纤预制棒，再将预制棒加热到玻璃的转换温度，同时这个温度还要在半导体纤芯的熔点之上，从而保证纤芯处于熔融状态，热拉制工艺简单可行，拉丝长度可达几十毫米每分钟，解决了高压化学气相沉积和压力辅助填充法制备半导体光纤长度受限的问题。

本发明所提供的多材料半导体芯光纤的制备方法，是在熔芯法制备半导体芯光纤的基础上，采用局部加热处理进一步获得尺寸可控、高度均匀、结构有序、微米甚至纳米尺寸的半导体微球阵列，实现半导体芯光纤内多材料的组装，制备成本低、工艺简单可行、流程短、可批量生产。同时将半导体材料、金属材料、玻璃材料有机结合起来，实现纤维内PN结、三极管、场效应管等结构。其中肖特基二极管具有良好的高频特性，同时具有比PN结二极管更低的导通电压和反向击穿电压；三极管作为电流放大器件，是电子电路的核心元件；场效应管可分为结型场效应管和金属-氧化物-半导体场效应管两类，作为半导体放大器件集成在柔性光纤中可实现纤维内电控开关的功能。本发明将多种半导体和金属材料复合在柔性光纤内，可进一步实现纤维内的高速、高灵敏度光电探测功能和全光信号处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种半导体芯光纤制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：准备至少两个光纤嵌件，所述至少两个光纤嵌件为半导体单芯光纤、半导体材料芯棒、金属材料芯棒、多种金属材料的组合芯棒、半导体材料和金属材料的组合芯棒中的至少一种；

S2：将所述至少两个光纤嵌件设置于玻璃套管的空腔内，形成预制棒，在高温下热拉制所述预制棒得到组装光纤；

S3：对组装光纤进行局部加热，使得部分光纤嵌件材料熔缩成微球，并逐渐成为有序的离散状态，其他未熔缩的光纤嵌件为棒状，所述未熔缩的光纤嵌件为铂丝，微球与未熔缩的棒状光纤嵌件接触构成连通状态，进而组装形成纤维阵列；

所述步骤S1中所述半导体材料芯棒和所述半导体单芯光纤中的纤芯材料为硅(Si)、锗(Ge)、半导体化合物锑化铟(InSb)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)或上述材料的组合；所述金属材料为银丝、铜丝、金丝、铂丝、钨丝或上述材料的组合。

2.如权利要求1所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

所述玻璃套管的空腔为一个时，所述光纤嵌件按预定的形状堆叠、排布为光纤堆叠件，所述光纤堆叠件放入该一个空腔内；

所述玻璃套管的空腔为至少两个时，所述至少两个光纤嵌件分别放入该至少两个空腔内；或者所述至少两个光纤嵌件中的部分按预定形状堆叠、排布为光纤堆叠件，所述光纤堆叠件和光纤嵌件，分别放入该至少两个空腔内；或者所述至少两个光纤嵌件中的部分预定形状堆叠、排布为至少两个光纤堆叠件，所述至少两个光纤堆叠件分别放入所述至少两个空腔内。

3.如权利要求1所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的光纤嵌件为半导体单芯光纤，准备所述半导体单芯光纤的步骤，包括将半导体材料纤芯放入第一类玻璃套管内，在高温下热拉制得到半导体单芯光纤，所述第一类玻璃套管和玻璃套管的材料相同。

4.根据权利要求3所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述玻璃套管材料为石英玻璃、镧系玻璃或硼硅酸盐玻璃，所述玻璃套管为多层玻璃管套管或单根厚壁玻璃管。

5.根据权利要求3所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于，半导体材料纤芯和第一类玻璃套管的形状为六边形、八边形、圆形或矩形，所述半导体材料纤芯形态为棒状、块状、颗粒状或粉末状。

6.根据权利要求2所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述光纤堆叠件或者光纤嵌件与玻璃套管内壁之间的间隙小于等于0.4mm，在所述光纤堆叠件与玻璃套管内壁间隙较大的地方放置数根直径匹配的与玻璃套管同材质的毛细管。

7.如权利要求2所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述光纤堆叠件中还包括与玻璃套管同材质的玻璃棒。

8.如权利要求1所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述热拉制温度为800℃-2000℃，所述热拉制过程中，在加热的同时向预制棒内通入惰性气体或在纤芯中引入氧气消耗剂。

9.如权利要求1所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述对组装光纤进行局部加热的处理方式为CO₂激光加工、环绕加热、定点加热拉锥处理。

10.如权利要求1所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：所述微球直径尺寸为400nm-1000μm。

11.如权利要求2所述的半导体芯光纤制备方法，其特征在于：

所述光纤嵌件为轻掺杂N型锗棒、铜丝以及铂丝，通过控制微球迁移数量、迁移速度及方向处理，使光纤内微球最终得到肖特基二极管结构；

或者，所述光纤嵌件为硅芯光纤以及铂丝，通过硅微球正好排布于两根铂丝之间构成联通的阵列；

或者，所述光纤嵌件为N型硅芯光纤、P型锗芯光纤以及铂丝，通过锗微球、硅微球移动和组合，与铂丝联通构成三极管阵列结构；

或者，所述光纤嵌件为N型硅芯光纤、P型锗芯光纤和铂丝，利用流体的不稳定性诱导硅微球和锗微球移动，与四根铂丝联通构成结型场效应管结构；

或者，所述光纤嵌件为N型硅芯光纤、P型锗芯光纤和铂丝，利用流体的不稳定性进一步诱导硅微球和锗微球移动，与铂丝联通构成金属-氧化物-半导体场效应管结构。

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