一種三維光子晶體光纖及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體光纖，具體是一種三維光子晶體光纖及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體光纖(PCF)是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，傳統(tǒng)光子晶體光纖可分為兩種:第一種光子晶體光纖具有高折射率芯層，纖芯被二維光子晶體包層所包圍，這些光纖類似于常規(guī)光纖的性質(zhì)，由于包層折射率小于纖芯折射率從而在光纖纖芯通過全反射形成波導(dǎo)；第二種光子晶體光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應(yīng)。利用光子帶隙中的光頻率不能在光子晶體中存在的特點(diǎn)把光束控制在纖芯內(nèi)。這種光子晶體光纖能使光束在比包層折射率低的纖芯內(nèi)傳播，甚至能在空氣芯里傳播，從而有利于大功率激光在光纖中的傳播。目前，光子晶體光纖的應(yīng)用研宄己經(jīng)逐漸覆蓋到通信、傳感、非線性光學(xué)、光譜學(xué)，乃至生物醫(yī)學(xué)等眾多科技領(lǐng)。隨著研宄的進(jìn)一步深入，各種新型光子晶體光纖仍在不斷涌現(xiàn)，基于光子晶體光纖的新應(yīng)用同樣日漸豐富。
[0003]膠體晶體是亞微米級(jí)單分散膠體晶體微球在合適的條件下形成的三維有序周期陣列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。近年來，研宄人員提出了一種新的制作微結(jié)構(gòu)光纖的方法。通過在光纖的內(nèi)部或外部自組裝膠體晶體，從而制作出一種新的微結(jié)構(gòu)光纖。這種新型微結(jié)構(gòu)光纖可以形成三維光子晶體光纖、空氣孔和多孔結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步發(fā)展成為光纖濾波器和光纖傳感器，形成新的傳感機(jī)理。H.Yan等(Appl Phys B (2012) 107:91 -95，A colloidal crystal microstructure fiber: fabricat1n and characterizat1n)提出了用腐蝕的單模光纖和膠體晶體結(jié)合形成膠體晶體光纖結(jié)構(gòu)，但是其單模光纖的腐蝕方法是一個(gè)劇毒的過程。
[0004]基于包層腐蝕光纖的制備方法是先把普通單模光纖包層腐蝕至只剩下30微米直徑后，在包層腐蝕光纖的側(cè)邊進(jìn)行小球的自組裝，得到三維光子晶體光纖。目前報(bào)道的三維光子晶體光纖就是由此法制作，但是由于此方法是基于包層腐蝕光纖，其包層直徑還有30微米，這時(shí)的包層倏逝場(chǎng)非常弱，導(dǎo)致膠體晶體與光纖傳導(dǎo)模之間耦合非常弱，其光纖的透過峰幅度很低，而且其制作方法具有強(qiáng)腐蝕性及強(qiáng)毒性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有高光譜響應(yīng)的三維光子晶體光纖。本發(fā)明還提出了上述三維光子晶體光纖的制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種三維光子晶體光纖，由普通光纖制作而成，其特征在于:光纖中包括一段長(zhǎng)度為2-4mm的微納光纖，微納光纖的直徑D為15-40 μ m，微納光纖的兩端均通過圓錐形過渡區(qū)與普通光纖相連接，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4-9mm，在微納光纖的表面覆蓋著膠體晶體，所述膠體晶體為自組裝的聚苯乙烯微球，聚苯乙烯微球的直徑為300-620nm，聚苯乙烯微球的層數(shù)為5-50層。
[0007]進(jìn)一步的，膠體晶體為FCC結(jié)構(gòu)。
[0008]一種三維光子晶體光纖的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
(O采用熔融拉錐的方法將光纖的一小部分拉細(xì)成微納光纖，微納光纖的長(zhǎng)度為2-4_，直徑D為15-40 μ m，微納光纖的兩端均通過圓錐形過渡區(qū)與普通光纖相連接，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4-9_ ；
(2)對(duì)微納光纖進(jìn)行親水性處理；
(3)在恒溫蒸發(fā)的條件下，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微納光纖的表面自組裝從而形成膠體晶體，聚苯乙烯微球的直徑為300-620nm，聚苯乙烯微球的層數(shù)為5_50層。
[0009]進(jìn)一步的，步驟(3)的溫度為25-35°C。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、利用拉錐后的微納光纖自組裝微球來制作光子晶體光纖，微納光纖的強(qiáng)倏逝場(chǎng)使得光纖的傳導(dǎo)模與膠體晶體耦合非常強(qiáng)，得到了很高的光譜響應(yīng)(峰值幅度達(dá)到14dB)。
[0011]2、工藝流程簡(jiǎn)單，器件穩(wěn)定性良好，可進(jìn)行批量化商用生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0012]圖1是三維光子晶體光纖的不意圖；
圖2是垂直提拉法的實(shí)驗(yàn)示意圖；
圖3是直徑約為25 μ m的微納光纖的SEM圖；
圖4是直徑約為60 μπι的自組裝微球后的微納光纖的SEM圖；
圖5是膠體晶體的斷面圖；
圖6是膠體晶體表面的放大圖；
圖7是膠體晶體的能帶圖；
圖8是透射光譜圖；
圖9是相對(duì)透射譜。
[0013]圖2中，1:光纖；2:大燒杯；3:微球；4:橫梁；5:導(dǎo)軌；6:步進(jìn)電機(jī)；7:電腦。
【具體實(shí)施方式】
[0014]三維光子晶體光纖主要分成微納光纖制作、微納光纖親水性處理、垂直提拉法在微納光纖側(cè)面制作膠體晶體三個(gè)步驟。親水性處理是將微納光纖放進(jìn)濃硫酸和雙氧水的混合液里進(jìn)行浸泡。用于制作膠體晶體的膠體溶液是濃度為10wt%聚苯乙烯微球去離子水溶液。
[0015]實(shí)施例1
如圖3所示，拉錐法制備的微納光纖的直徑為30 μ m，長(zhǎng)度為3mm，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為6mm。在恒溫蒸發(fā)的條件下，溫度為30°C，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微納光纖的表面自組裝從而形成膠體晶體，聚苯乙稀微球的直徑為300nm，提拉的速度V =4 μπι /s,聚苯乙烯微球的層數(shù)為50層。自組裝微球后的微納光纖的直徑約為60μπι，如圖4所示。圖5是膠體晶體的斷面圖；圖6是膠體晶體表面的放大圖。
[0016]用Rsoft的Bandsolve模塊對(duì)膠體晶體的能帶進(jìn)行模擬分析。模擬計(jì)算中，晶體結(jié)構(gòu)設(shè)為7層面心立方結(jié)構(gòu)，聚苯乙烯小球半徑為300nm，折射率設(shè)為1.59。圖7展示了膠體晶體的能帶結(jié)構(gòu)，展示了在布里淵區(qū)的r-L方向存在不完全帶隙，帶隙的歸一化頻率范圍為0.59-0.63。該帶隙的歸一化頻率滿足ω = λ /a，其中a為膠體晶體的晶格常數(shù)，對(duì)于FCC (面心立方)結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a與組裝的微球直徑D的關(guān)系滿足D=0.707a。因此，可以計(jì)算得到選取直徑為300nm PS微球制備的FCC結(jié)構(gòu)的帶隙波長(zhǎng)范圍673.4 nm -719.1nm (能帶圖中黑色區(qū)域)。計(jì)算得到的沿[111]晶體取向的光子帶隙與所測(cè)得的透射峰位置相吻合。
[0017]以超連續(xù)光源作為測(cè)量光源，使用海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的光纖光譜儀(USB4000)對(duì)微納光纖的透射譜進(jìn)行測(cè)量。圖8是微納光纖的透射光譜圖:圖中黑線為未生長(zhǎng)膠體晶體的微納光纖透射光譜；黑色三角形為已經(jīng)生長(zhǎng)膠體晶體的微納光纖的透射光譜。相對(duì)于未生長(zhǎng)膠體晶體的微納光纖，已生長(zhǎng)膠體晶體的微納光纖透射光譜在660nm到700nm之間有所增強(qiáng)，在680nm處觀測(cè)到一個(gè)很強(qiáng)的透射峰值，此峰值對(duì)應(yīng)于沿[111]晶體取向的光子帶隙。以未生長(zhǎng)膠體晶體的微納光纖的透射光譜作為基線，已生長(zhǎng)膠體晶體的微納光纖的相對(duì)透射譜如圖9所示。從圖9可見膠體晶體對(duì)微納光纖透射譜的調(diào)制強(qiáng)度達(dá)到14dB。這是由于膠體晶體的光子帶隙造成，泄漏的單模光纖傳導(dǎo)模被膠體晶體反射并耦合進(jìn)入微納光纖。
[0018]實(shí)施例2
微納光纖的直徑為15 μπι，長(zhǎng)度為4_，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為9_。在恒溫蒸發(fā)的條件下，溫度為25°C，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微納光纖的表面自組裝從而形成膠體晶體，聚苯乙烯微球的直徑為300nm，提拉的速度V =8ym /s，聚苯乙烯微球的層數(shù)為5層。本實(shí)施例制備的三維光子晶體的透射譜的調(diào)制強(qiáng)度可達(dá)到5dB。
[0019]實(shí)施例3
微納光纖的直徑為40 μ m，長(zhǎng)度為2_，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4_。在恒溫蒸發(fā)的條件下，溫度為35°C，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微納光纖的表面自組裝從而形成膠體晶體，聚苯乙烯微球的直徑為620nm，提拉的速度V =4 μπι /s，聚苯乙烯微球的層數(shù)為7層。本實(shí)施例制備的三維光子晶體的透射譜的調(diào)制強(qiáng)度可達(dá)到3dB。
[0020]實(shí)施例4
微納光纖的直徑為30 μπι，長(zhǎng)度為3mm，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為7mm。在恒溫蒸發(fā)的條件下，溫度為30°C，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微納光纖的表面自組裝從而形成膠體晶體，聚苯乙烯微球的直徑為500nm，提拉的速度V =4 μπι /s，聚苯乙烯微球的層數(shù)為20層。本實(shí)施例制備的三維光子晶體的透射譜的調(diào)制強(qiáng)度可達(dá)到8dB。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三維光子晶體光纖，由普通光纖制作而成，其特征在于:光纖中包括一段長(zhǎng)度為2-4mm的微納光纖，微納光纖的直徑D為15-40 μ m，微納光纖的兩端均通過圓錐形過渡區(qū)與普通光纖相連接，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4-9_，在微納光纖的表面覆蓋著膠體晶體，所述膠體晶體為自組裝的聚苯乙烯微球，聚苯乙烯微球的直徑為300-620nm，聚苯乙烯微球的層數(shù)為5-50層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維光子晶體光纖，其特征在于膠體晶體為FCC結(jié)構(gòu)。
3.—種三維光子晶體光纖的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (O采用熔融拉錐的方法將光纖的一小部分拉細(xì)成微納光纖，微納光纖的長(zhǎng)度為2-4_，直徑D為15-40 μ m，微納光纖的兩端均通過圓錐形過渡區(qū)與普通光纖相連接，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4-9_ ； (2)對(duì)微納光纖進(jìn)行親水性處理； (3)在恒溫蒸發(fā)的條件下，使用垂直提拉法使聚苯乙烯微球在微納光纖的表面自組裝從而形成膠體晶體，聚苯乙烯微球的直徑為300-620nm，聚苯乙烯微球的層數(shù)為5_50層。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)的溫度為25-35?。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維光子晶體光纖及其制備方法，其由普通光纖制作而成，其特征在于：光纖中包括一段長(zhǎng)度為2-4mm的微納光纖，微納光纖的直徑D為15-40μm，微納光纖的兩端均通過圓錐形過渡區(qū)與普通光纖相連接，圓錐形過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4-9mm，在微納光纖的表面覆蓋著膠體晶體。本發(fā)明利用拉錐后的微納光纖自組裝微球來制作光子晶體光纖，微納光纖的強(qiáng)倏逝場(chǎng)使得光纖的傳導(dǎo)模與膠體晶體耦合非常強(qiáng)，得到了很高的光譜響應(yīng)。本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單，器件穩(wěn)定性良好，可進(jìn)行批量化商用生產(chǎn)。
【IPC分類】G02B6-02, B01J13-00
【公開號(hào)】CN104820260
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510214888
【發(fā)明人】鐘永春, 陳哲, 羅瑛, 夏亮
【申請(qǐng)人】暨南大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月30日