專利名稱：一種膠體晶體修飾的光纖微結(jié)構(gòu)器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微結(jié)構(gòu)器件，特別是涉及光纖微結(jié)構(gòu)的器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
將光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光纖，形成了光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)，又稱微結(jié)構(gòu)光纖。采用紫外側(cè)寫技術(shù)或(X)2熱激技術(shù)，可以在PCF中寫制光子晶體光 纖光柵。微結(jié)構(gòu)光纖光柵具有豐富的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。改變光纖中的微孔排列、大小以及 占空比，或者將介質(zhì)載入微孔，均可改變光子晶體光纖及其光柵的光學(xué)性質(zhì)，極大地改變了 光纖微結(jié)構(gòu)的性能。但其制作成本高，與普通光纖的對接使用也存在很多問題。制造光學(xué)波段的光子晶體，化學(xué)方法顯示出更大的優(yōu)越性，其中利用膠體顆粒自 組裝是一種非常簡便的方法合成單分散的膠體微球(如二氧化硅或聚苯乙烯微球)；對 微球進(jìn)行組裝，在不同的基體上形成三維有序堆積；燒結(jié)以增加樣品的機(jī)械強(qiáng)度，同時可以 控制顆粒間的孔隙。顆粒自組裝方法簡便易行，材料選擇范圍寬，球形顆粒易合成，且尺寸 可控，制作成本低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即是基于以上所述現(xiàn)狀進(jìn)行的，目的在于制作一種方便、廉價，能和現(xiàn)在的 通訊光纖直接匹配的光纖微結(jié)構(gòu)器件，利用膠體晶體光子帶隙波段近乎完全反射，提供一 種具有僅增強(qiáng)光子帶隙波段，其他波段散射出去迅速減弱的光纖器件。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明光纖微結(jié)構(gòu)器件采用如下技術(shù)方案一種膠體晶體修飾的光纖微結(jié)構(gòu)器件，包括去除一段涂覆層后的單模光纖、毛細(xì)管、 膠體晶體和塑料盒，毛細(xì)管的一端是平面的，另一端開有喇叭口，單模光纖去除涂覆層后的 一端穿過所述毛細(xì)管，并與毛細(xì)管的平面端面對齊，毛細(xì)管的喇叭口卡住所述光纖另一端 的涂覆層，所述毛細(xì)管的平面端面上沉積有膠體晶體，微結(jié)構(gòu)采用熱塑套管固定，并用塑 料盒封裝。本發(fā)明光纖微結(jié)構(gòu)器件的制備方法采用如下工藝步驟a)截取一段普通單模光纖，在光纖一端用鉗子剝除一段涂覆層后，在裸纖上涂一層光 纖膠水，并插入一端開有喇叭口的毛細(xì)管中，喇叭口卡住光纖另一端的涂覆層，再用膠水填 滿喇叭口，以此固定光纖，形成了一端有光纖尾纖的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，然后將光纖和毛細(xì) 管的平面端面在垂直于光纖徑向90度的同一平面上磨平至光滑；b)將上一步磨好的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)分別用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5分鐘，然 后用氮氣吹干；c)將干燥后的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)用夾具水平夾穩(wěn)；d)配置不同材料的膠體微球溶液，微球直徑偏差/平均直徑X% <0.2%，質(zhì)量百分比 濃度為29Γ8%，溶劑水/乙醇的體積比為7:3 ；e)將步驟c)中光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的平面端垂直插入盛有配好的膠體微球溶液的玻璃 瓶中，保持光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)垂直液面；f)將步驟e)中的整個裝置置于水浴內(nèi)，在一定的溫度、濕度的條件下，采用垂直沉積法 在光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的平面端涂覆膠體晶體，恒溫條件下靜置48小時左右；g)將步驟f)中制備的平面端涂覆有膠體晶體的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)在一定溫度下進(jìn)行 燒結(jié)，使涂覆的膠體晶體固化，然后用熱塑套管固定，塑料盒封裝即形成膠體晶體修飾的光 纖微結(jié)構(gòu)器件。本發(fā)明采用垂直沉積微球自組裝的方法，在光纖端面制備有序的膠體晶體，采用 熱塑套管、塑料盒封裝技術(shù)形成微結(jié)構(gòu)器件，具有光子帶隙部分增強(qiáng)效應(yīng)，且端面膠體晶體 可以利用其中心帶隙波長進(jìn)行選頻，其頻帶窄，精度高，而且隨所處介質(zhì)變化，可以形成氣 體探測和波分復(fù)用器件；通過在光纖端面涂覆不同(粒徑)的膠體微球，或者在膠體晶體的 空隙部分填充不同折射率的材料形成多孔反結(jié)構(gòu)，可以改變增強(qiáng)的光子帶隙的中心波長， 達(dá)到任意選頻的目的，同時進(jìn)一步發(fā)展可以形成廉價的生物和環(huán)境傳感器件、濾波器等。
圖1是本發(fā)明微結(jié)構(gòu)器件的制備裝置示意圖，1-1:平板夾；1-2:膠體微球溶液； 1-3:光纖；1-4:水；1-5:毛細(xì)管；1-6:恒溫水??；1-7:玻璃瓶；1_8:平板夾持器；1_9 萬 向可調(diào)支架。圖2是本發(fā)明膠體晶體制備過程中的結(jié)晶過程示意圖，1-7:玻璃瓶；1-2:膠體溶 液；2-3:膠體微球；2-4:溶液半月面；2-5 光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)；2-6:微球重力；2_7:微球聚 合力；2-8:流體剪切力；2-9 平板玻璃夾。圖3是本發(fā)明膠體晶體修飾的光纖微結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖，1-5:毛細(xì)管， 1-3:光纖，3-1 喇叭口 ；3-2 膠體晶體。圖4是圖3中光纖微結(jié)構(gòu)器件的反射光譜圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實施例制備光纖微結(jié)構(gòu)器件的步驟如下a)截取一段普通單模光纖1-3，纖芯9μ m,包層125 μ m,在光纖1-3 —端用鉗子剝除 6mm長一段涂覆層后，在裸纖上涂一層光纖膠水，并插入一端開有喇叭口 3-1的毛細(xì)管1_5 中，毛細(xì)管1-5長9mm，內(nèi)徑0. U6mm，外徑1.8mm，喇叭口 3-1卡住光纖1-3另一端的涂覆 層，再用膠水填滿喇叭口 3-1，以此固定光纖1-3，形成了一端有光纖尾纖的光纖-毛細(xì)管結(jié) 構(gòu)2-5，然后將光纖1-3和毛細(xì)管1-5的平面端面在垂直于光纖1-3徑向90度的同一平面 上磨平至光滑；b)將上一步磨好的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)2-5分別用丙酮(純度99.7%)、酒精(純度 99. 7%)、去離子水(電阻率18. 2ΜΩ )超聲清洗5分鐘，然后用氮氣吹干，氮氣濃度99. 7% ；c)將干燥后的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)2-5用夾具水平夾穩(wěn)，如圖1中平板夾持器1-8和萬 向可調(diào)支架1-9所示；d)配置聚苯乙烯(PS)膠體溶液l-210ml，膠體微球2_3的直徑為690nm，微球直徑偏差 0. 2%，質(zhì)量百分比濃度為2%，溶劑水/乙醇的體積比為7:3 ；e)將步驟c)中的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)2-5的平面端垂直插入盛有配好的膠體微球溶液的玻璃瓶1-7中，保持光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)2-5端面垂直液面；f)將步驟e)中的整個裝置置于恒溫水浴1-6中，在恒溫50度，溫度波動<0.1度，濕度 介于20%-50%之間，采用垂直沉積法在光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)2-5的平面端涂覆膠體晶體3-2， 恒溫條件下靜置48小時左右；g)將步驟f)中制備的平面端涂覆有膠體晶體3-2的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)2-5在80度下 燒結(jié)2小時，使涂覆的膠體晶體3-2固化，然后用熱塑套管固定，塑料盒封裝形成膠體晶體 修飾的光纖微結(jié)構(gòu)器件。
權(quán)利要求
1.一種膠體晶體修飾的光纖微結(jié)構(gòu)器件，包括去除一段涂覆層后的單模光纖、毛細(xì) 管、膠體晶體和塑料盒，其特征在于，毛細(xì)管的一端是平面的，另一端開有喇叭口，單模光纖 去除涂覆層后的一端穿過所述毛細(xì)管，并與毛細(xì)管的平面端面對齊，毛細(xì)管的喇叭口卡住 所述光纖另一端的涂覆層，所述毛細(xì)管的平面端面上沉積有膠體晶體，微結(jié)構(gòu)采用熱塑套 管固定，并用塑料盒封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種膠體晶體修飾的光纖微結(jié)構(gòu)器件，其特征在于所述毛 細(xì)管的尺寸為內(nèi)徑0. U6mm、外徑Imm至3mm、長5mm至20mm。
3.一種制備如權(quán)利要求1所述的光纖微結(jié)構(gòu)器件的方法，其制備工藝步驟如下a)截取一段普通單模光纖，在光纖一端用鉗子剝除一段涂覆層后，在裸纖上涂一層光 纖膠水，并插入一端開有喇叭口的毛細(xì)管中，喇叭口卡住光纖另一端的涂覆層，再用膠水填 滿喇叭口，以此固定光纖，形成了一端有光纖尾纖的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，然后將光纖和毛細(xì) 管的平面端面在垂直于光纖徑向90度的同一平面上磨平至光滑；b)將上一步磨好的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)分別用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5分鐘，然 后用氮氣吹干；c)將干燥后的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)用夾具水平夾穩(wěn)；d)配置不同材料的膠體微球溶液，微球直徑偏差/平均直徑X% <0. 2%，質(zhì)量百分比 濃度為1 8%，溶劑水/乙醇的體積比為7:3 ；e)將步驟c)中光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的平面端垂直插入盛有配好的膠體微球溶液的玻璃 瓶中，保持光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)垂直液面；f)將步驟e)中的整個裝置置于水浴內(nèi)，在一定的溫度、濕度的條件下，采用垂直沉積法 在光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的平面端涂覆膠體晶體，恒溫條件下靜置48小時左右；g)將步驟f)中制備的平面端涂覆有膠體晶體的光纖-毛細(xì)管結(jié)構(gòu)在一定溫度下進(jìn)行 燒結(jié)，使涂覆的膠體晶體固化，然后用熱塑套管固定，塑料盒封裝即形成膠體晶體修飾的光 纖微結(jié)構(gòu)器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述膠體微球采用PS、PMMA或二氧 化硅，其微球直徑為IOOnm至lOOOnm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由膠體晶體修飾的光纖-毛細(xì)管微結(jié)構(gòu)器件。主要制作步驟為:將普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖除去涂覆層，插入毛細(xì)管中，并用膠水將光纖固定，然后將毛細(xì)管-光纖端面磨平；配置不同材料的(如:PS,PMMA和Silica)膠體微球溶液；用垂直沉積法在毛細(xì)管-光纖端面生長膠體晶體,用燒結(jié)爐燒結(jié)固化形成膠體晶體毛細(xì)管-光纖微結(jié)構(gòu)；用熱塑套管、塑料盒封裝固定。本發(fā)明形成的膠體晶體修飾的毛細(xì)管-光纖微結(jié)構(gòu)可以形成多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展可成為光纖濾波器和生物、環(huán)境傳感器；由于利用的是普通光纖制備，因此制作簡便、成本低。
文檔編號G02B6/02GK102053302SQ20101058564
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者倪海彬, 吳婧, 崔恩營, 王鳴, 郭文華 申請人:南京師范大學(xué)