[发明专利]一种D形光纤胶体晶体微纳结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种D形光纤胶体晶体微纳结构的制备方法。

背景技术

折射率周期性调制结构近年来越来越受到光通讯及传感领域的重视。它们能够形成与变化周期相关的布拉格禁带，在光波的传输过程中起到反射作用。在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonic band structures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photonic crystals)。层状周期结构正是基于光子晶体的概念发展起来的，胶体晶体也正是基于光子晶体的研究得到了广泛的研究和发展。

在光纤上制作周期性的微纳结构有多种用途，例如利用消逝场检测环境介质的折射率变化，从而监测其化学浓度和PH值等性质。为了使消逝场强度增大，将普通光纤的包层进行腐蚀，减小包层的厚度，或者对光纤进行研磨，将包层的其中一面磨平成为D形平面，这样光纤将有更多的能量泄漏到外界环境中，出现较强的消逝场，使环境介质的改变能直接影响到光场各参数的变化。这样一种对普通光纤进行研磨，改变其横截面形状和结构从而改变基模传输特性的特种光纤就称为D形光纤。

因胶体晶体具有良好的周期性结构，并且是三维分布和具有光子带隙，D形光纤上胶体晶体可以与D形光纤平面消逝场相互作用，使在光纤内部传输的光受到调制，进而实现光传感、光调控等功能。而且带有胶体晶体的D形光纤可以直接与普通光纤熔接，实现全光纤器件，而不需要对应的体块部件。但是目前关于在D形光纤上制胶体晶体微纳结构还未见有报道，因光纤体积小，且要制备的胶体晶体的光子带隙位于通信波段，需要的颗粒较大，因此在光纤上制备胶体晶体微纳结构需要更为精确的工艺和方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种D形光纤胶体晶体微纳结构的制备方法，即先在D形光纤上制备微纳结构，然后再利用胶体微粒在微纳结构内制备胶体晶体，以实现对D形光纤内光场更强和可操控的调制，拓宽D形光纤的应用范围。

为达上述目的，本发明的技术方案为：一种D形光纤胶体晶体微纳结构的制备方法，包括如下步骤：

（1）、用硅胶将D形光纤的圆形面固定在底板上，在D形光纤平面上涂上光刻胶，然后烘干；

（2）、将涂有光刻胶的D形光纤和所需掩膜板装在光刻机上，对D形光纤平面进行曝光，然后将D形光纤在30-60℃下加热3-5分钟，之后用丙酮显影除去曝光部分的光刻胶；

（3）、搅拌条件下，用HF酸缓冲溶液刻蚀D形光纤平面，实现D形光纤平面上微纳结构的制备，刻蚀温度30-50℃，时间3-10分钟；

（4）、用KOH溶液洗去D形光纤平面剩余的光刻胶，然后用去离子水超声清洗D形光纤并晾干；

（5）、配制胶体微粒悬浊液，体积浓度为2-5%，然后超声震荡使胶体微粒分布均匀；

（6）、将步骤（4）制得的带有微纳结构的D形光纤的一端固定在步进电机上，D形光纤其余部分插入在胶体微粒悬浊液中，整个装置置于电场强度为600-1300V/m的静电场中，保持胶体微粒悬浊液的温度为40-60℃，然后步进电机以0.5-2mm/min的速度提拉D形光纤，直至D形光纤脱离悬浊液，即可在D形光纤平面的微纳结构中制得胶体晶体。

所述HF酸缓冲溶液由质量比为1:1:8的HF、NH₄F和H₂O组成。

所述胶体微粒悬浊液中的胶体微粒为PS、PMMA或者SiO₂中的一种。

有益效果：本发明先采用光刻技术在D形光纤平面上刻蚀所需的微纳结构，然后以微纳结构为模板，利用胶体晶体自组装技术将胶体微粒组装到微纳结构中，最终在D形光纤上制备了胶体晶体微纳结构，这种带有胶体晶体微纳结构的D形光纤可以使光纤的消逝场同时接受微纳结构和胶体晶体光子带隙的调制，微纳结构形成了折射率的周期分布，而且胶体晶体能形成三维折射率分布结构，同时做到了消逝场的波长及强度的双重调制，可以广泛应用在光信息处理，光学传感及光学集成等领域。

采用光刻技术，通过控制过程中采用的掩膜板及刻蚀的温度和时间，可以实现D形光纤上多种图形和尺寸的微纳结构的制备，相比于现有的用相位掩膜法和逐点写入法制作微纳结构光栅，其成本要低的多，操作简便而且效率高。