CN112596174B - 一种微纳光纤耦合器复合制造方法 - Google Patents

一种微纳光纤耦合器复合制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微纳光纤耦合器复合制造方法，通过联合热熔融拉伸法和湿法刻蚀法，来实现对微纳光纤耦合器的转折点的精准调控；利用热拉伸将两根光纤融合在一起，快速拉伸实现微纳光纤耦合器的初步加工，熔融拉锥获得的光纤耦合器封装在一个流动池中；通过氢氟酸湿法腐蚀和在线光谱监测系统的联合方式实现微纳光纤耦合器的精确拉制，直至在光谱中出现设计波长处的转折点。本发明提出的加工方法对于未来基于光纤耦合器的传感系统具有阵列化、转折点可控、重复性好的特点，能够实现超低浓度的生物检测、气体检测以及压力检测等领域。

Description

一种微纳光纤耦合器复合制造方法
技术领域
本发明涉及生物传感和光学通讯等领域，特别涉及一种微纳光纤耦合器复合制造方法。
背景技术
微纳光纤是一种直径与传播光波长接近或更小的光纤结构，通常直径在几百纳米左右，目前在近场光学、非线性光学、表面等离激元、微纳光器件等领域的研究备受关注。微纳光纤包层功率占有率相对较大使得大部分光以消逝场的形式在微纳光纤外部进行传播，因此微纳光纤传播场对外部环境的变化敏感，因此在环境监测、生物传感等领域具有广泛应用。光纤耦合器是实现光信号功率在不同光纤间或组合的光学器件，而最近发现的在微纳光纤耦合器中由于模式干涉产生的色散转折点(Dispersion turning points，DTPs)在生物检测、温度检测等各种场合得到了广泛应用，由于其特有的性质在液体或气体介质中表现出非常高的灵敏度，通常高灵敏度的位置处在光纤耦合器的转折点附近。但是，目前微纳光纤耦合器实用化过程中最大的挑战来自于其较差的重复性，尤其是有效控制转折点的位置。通常加工这种微纳尺度的光纤耦合器采用热熔融拉伸的办法，但是很难通过拉伸速度和拉伸常数控制光纤的结构尺寸。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种微纳光纤耦合器的复合制造方法，该方法有效联合热熔融拉伸和湿法刻蚀的优势可以实现对微纳光纤耦合器的转折点的精准调控。本发明不仅可以应用于常规生物传感检测过程中，还可以实现任意折射率环境下的微纳光纤耦合器的加工。
本发明提供一种微纳光纤耦合器复合制造方法，通过联合热熔融拉伸法和湿法刻蚀法，来实现对微纳光纤耦合器的转折点的精准调控；利用热拉伸将两根光纤融合在一起，快速拉伸实现微纳光纤耦合器的初步加工，熔融拉锥获得的光纤耦合器封装在一个流动池中；通过氢氟酸湿法腐蚀和在线光谱监测系统的联合方式实现微纳光纤耦合器的精确拉制，直至在光谱中出现设计波长处的转折点。
优选地，所述湿法腐蚀法为一种湿法腐蚀液，具体为氢氟酸、氟化铵与去离子水的混合液。
优选地，所述在线光谱监测系统主要包括：超连续谱光源和光谱分析仪，光纤输入端和输出端分别连接光源和光谱分析仪。
优选地，包括以下步骤：
步骤一，取两根单模光纤，在每根光纤的中间利用光纤剥皮钳剥除长度30mm的保护层，并用酒精棉将光纤包层清洗干净；
步骤二，将上述处理的两根光纤并排放置，且将两根光纤中间部分相互缠绕，扭转3-5圈，然后将两根光纤两端分别固定在可移动的V型槽内；
步骤三，固定好的两根光纤经1-2分钟的氢氧焰预热后，熔融拉锥两根光纤形成微纳光纤耦合器，通过光谱仪监测输出光谱直至光谱出现多个拍频时停止拉伸；
步骤四，将所述通过熔融拉锥获得的微纳光纤耦合器封装在一个PMMA芯片上，并利用胶水将光纤与PMMA芯片粘接在一起，卸去微纳光纤耦合器两端的轴线拉力；
步骤五，将所述封装有微纳光纤耦合器的PMMA芯片取下，然后加入氢氟酸腐蚀混合液，通过光谱仪检测光谱直至出现所设计波长处的转折点，将氢氟酸腐蚀混合液吸走并加去离子水进行冲洗。
优选地，热熔融拉伸两根光纤中间位置，氢氧外火焰与光纤接触，所加工的微纳光纤耦合器为强耦合状态。
优选地，在湿法腐蚀法过程中，监测光谱动态过程和谱线特征精确控制转折点的位置。
本发明能够取得以下技术效果：
1、本发明采用复合制造方法加工的光纤耦合器，可以实现光纤耦合器转折点精确可控，在可见波段直至近红外波段可以实现纳米精度的调节。
2、由于在光纤湿法腐蚀过程中采用光谱检测的方法，因此对于加工同一转折点的光纤耦合器具有非常好的重复性，此外，通过调节腐蚀液的折射率可以实现光纤耦合器任意折射率下转折点的精确调控。
3、复合方法加工的光纤耦合器对于光纤阵列化、高灵敏度生物检测以及其他环境监测等方面具有非常好的基础。
附图说明
图1为本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法流程示意图。
图2为本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法的不同腰椎曲线的光线光谱曲线图。
图3为本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法的光纤转折点统计图。
其中附图标记为：
单模光纤1、氢氧焰2、氢氟酸腐蚀混合液3、光纤耦合器传感器芯片4、胶粘剂5、微纳光纤耦合器6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法进行详细说明。
本发明提供一种微纳光纤耦合器复合制造方法，通过联合热熔融拉伸法和湿法刻蚀法，来实现对微纳光纤耦合器的转折点的精准调控；利用热拉伸将两根光纤融合在一起，快速拉伸实现微纳光纤耦合器的初步加工，熔融拉锥获得的光纤耦合器封装在一个流动池中；通过氢氟酸湿法腐蚀和在线光谱监测系统的联合方式实现微纳光纤耦合器的精确拉制，直至在光谱中出现设计波长处的转折点。
图1示出了本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法流程。
如图1所示，本实施例中，所使用的光纤为标准商用光纤，纤芯直径8μm，包层直径125μm，超连续谱光源总输出功率>500mw，输出光谱范围470nm-2400nm，功率密度>-10dB/nm，光谱仪波长精度±0.01nm，适用于单模和多模光纤。
湿法腐蚀过程中采用的氢氟酸腐蚀混合液3为氢氟酸(HF)混合液，该混合液主要包括氢氟酸、氟化铵(NH4F)和去离子水，三者的比例分别为1:1:10，NH4F在光纤腐蚀过程中主要起缓释作用。
在线监测系统过程中，热熔融拉伸至多模式干涉状态，转折点出现时光谱表现特征为，谐振峰在转折点处逐渐展宽，随着耦合器直径的减少逐渐分化为两个谐振峰，转折点作用两侧的谐振峰逐渐远离谐振峰并呈现与耦合器直径线性变化趋势，通过该动态过程及谱线特征可以精确控制转折点的位置。
首先，取2根单模光纤1，利用光纤剥皮钳从中间位置将2根单模光纤1的塑料保护层去除，长度约30mm，并用酒精棉擦拭3-5次，去除剥皮过程中的塑料残余。然后将2根单模光纤1的端面分别用光纤切割刀垂直切割，并用酒精棉擦拭干净，光纤输入端分别为P1和P2，输出端分别为P3和P4。
然后，将上述加工好的单模光纤1旋转打结并固定到V型槽内，V型槽固定到两个可以朝相反方向移动的位移平台之上，通过电机可实现自动控制。
其次，取上述2根单模光纤1的输入端P1或P2连接光源，输出端P3或P4连接光谱分析仪，通多对准调节至光强输出最大，并将氢氧焰2对准上述固定好的2根单模光纤1中间连接处，氢氧外火焰与光纤接触，预热1-2分钟至熔融状态准备拉伸，光纤位移平台相反方向运动，拉伸至输出光谱出现多个拍频时停止，此时为多模式干涉曲线。
再次，封装上述已经加工好的微纳光纤耦合器，将预先加工好的PMMA芯片放在耦合器下方，通过调节两者之间的高度将耦合器放在PMMA芯片上方1-2mm，防止贴芯片底部，利用胶粘剂5或热熔胶将耦合器固定在PMMA芯片上，待胶水固化后去除开始步骤中V型槽固定和光纤轴向力，将上述带有微纳光纤耦合器的芯片即光纤耦合器传感器芯片4，从位移平台上取下备用。
最后，向封装好的PMMA芯片中加注上述已经配置好的HF混合溶液，缓慢腐蚀微纳光纤直至光谱分析仪中出现转折点，出现转折点后利用去离子水将PMMA芯片冲洗3-5遍直至光谱稳定，加工后的微纳光纤耦合器6可以应用于生物或化学传感检测。
图2示出了本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法的不同腰椎曲线的光线光谱曲线图。
微纳光纤耦合器的一致性对于未来基于该器件的传感器至关重要，为了表明本发明复合制造方法对于加工微纳光纤耦合器具有良好的重复性，分别加工了两组共6根不同锥腰长度的微纳光纤耦合器，L组和S组，其中L组的长度大概为5mm，S组的长度大概为3mm，锥腰长度可以通过氢氧焰2温度和控制热熔融拉伸的时间控制，所涉及微纳光纤耦合器的转折点均为1300nm，从图2中可以看出，相同锥腰长度的微纳光纤耦合器表现出类似的光谱曲线，并且L组比S组的具有更多的谐振峰/谷，这主要是由于耦合长度越大输出光谱的震荡周期越短。
图3示出了本发明提供的一种微纳光纤耦合器复合制造方法的光纤转折点统计图。
对6根光纤的转折点统计如图3所示，最大标准偏差为0.38％，因此本复合制造方法对于精确控制微纳光纤耦合器的转折点具有非常好的重复性，对于在生化、气体等领域的高灵敏度检测具有非常重要的意义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种微纳光纤耦合器复合制造方法，其特征在于，通过联合热熔融拉伸法和湿法刻蚀法，实现对微纳光纤耦合器的转折点的精准调控；利用热拉伸将两根单模光纤(1)融合在一起，快速拉伸实现微纳光纤耦合器的初步加工，熔融拉锥获得的微纳光纤耦合器(6)封装在一个流动池中；通过氢氟酸湿法腐蚀和在线光谱监测系统的联合，实现微纳光纤耦合器(6)的精确拉制，直至在光谱中出现设计波长处的转折点；
微纳光纤耦合器复合制造方法具体包括如下步骤：
步骤一，取两根单模光纤(1)，在每根单模光纤(1)的中间利用光纤剥皮钳剥除长度30mm的保护层，并用酒精棉将光纤包层清洗干净；
步骤二，将上述处理的两根单模光纤(1)并排放置，且将两根光纤中间部分相互缠绕，扭转3-5圈，然后将两根光纤两端分别固定在可移动的V型槽内；
步骤三，固定好的两根光纤经1-2分钟的氢氧焰(2)预热后，熔融拉锥两根单模光纤(1)形成微纳光纤耦合器，通过光谱仪监测输出光谱直至光谱出现多个拍频时停止拉伸；
步骤四，将通过熔融拉锥获得的微纳光纤耦合器(6)封装在一个PMMA芯片上，并利用胶粘剂(5)将光纤与PMMA芯片粘接在一起，卸去微纳光纤耦合器两端的轴线拉力；
步骤五，将所述封装有微纳光纤耦合器的PMMA芯片取下，然后向封装好的PMMA芯片中加入氢氟酸腐蚀混合液(3)，通过光谱仪检测光谱直至出现所设计波长处的转折点，将氢氟酸腐蚀混合液(3)吸走并加去离子水进行冲洗。
2.如权利要求1所述的微纳光纤耦合器复合制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀法使用一种氢氟酸腐蚀混合液(3)，具体为氢氟酸、氟化铵与去离子水的混合液。
3.如权利要求1所述的微纳光纤耦合器复合制造方法，其特征在于，所述在线光谱监测系统主要包括：超连续谱光源和光谱分析仪，光纤输入端和输出端分别连接光源和光谱分析仪。
4.如权利要求1所述的微纳光纤耦合器复合制造方法，其特征在于，热熔融拉伸两根单模光纤(1)中间位置，氢氧外火焰与光纤接触，所加工的微纳光纤耦合器(6)为强耦合状态。
5.如权利要求1所述的微纳光纤耦合器复合制造方法，其特征在于，在湿法腐蚀法过程中，监测光谱动态过程和谱线特征精确控制转折点的位置。
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