一种反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤及其制备方法

摘要

本发明公开了一种纤芯由反蛋白石(3DOM三维有序大孔材料)修饰的微结构光纤。其主要制作步骤为：配置PS或PMMA胶体微球溶液,并添加一定比例的前驱物溶液（TEOS或TiBALDH）；用Sol-gel协同自组装法在毛细管内生长一段胶体晶体，胶体晶体的间隙中水分减少时形成前驱物凝胶，用箱式炉高温烧结去除胶体晶体形成反蛋白石结构；将两根普通标准光纤除去涂覆层，垂直切割，分别从两端插入毛细管中至反蛋白石结构处，并用胶水将光纤固定，然后用热塑套管固定封装毛细管和光纤。本发明制备的微结构光纤可作为光纤滤波器和生物医疗传感器件；由于利用的是普通标准光纤制备，可以与现有的光纤通信网络连接，便于实现全光传感网络；其制作简便、可靠、通用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微结构，特别是涉及一种微结构光纤及其制备方法。

背景技术

将光子晶体的带隙结构应用于光纤，形成了光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)，又称微结构光纤。采用紫外侧写技术或CO₂热激技术，可以在PCF中写制光子晶体光纤光栅。微结构光纤光栅具有丰富的结构和光学特性。改变光纤中的微孔排列、大小以及占空比，或者将介质载入微孔，均可改变光子晶体光纤及其光栅的光学性质，极大地改变了光纤微结构的性能。但其制作成本高,与普通光纤的对接使用也存在很多问题。

制造光学及近红外波段的光子晶体，化学方法显示出更大的优越性，其中利用胶体颗粒自组装的同时辅以Sol-gel技术制备反蛋白石是一种新颖的、简便可靠的方法:合成单分散的PMMA或聚苯乙烯（PS）微球胶体微球；利用Sol-gel技术，对微球进行组装的同时在微球的空隙形成凝胶，在不同的基体上形成三维有序堆积；烧结去除PMMA或者PS，同时凝胶转化为相应的氧化物，最后得到不同氧化物材质的反蛋白石。Sol-gel协同颗粒自组装的方法简便易行，前驱物选择范围宽，便于形成不同材质的反蛋白石，PMMA或PS球形颗粒易合成，且尺寸可控，制作成本低。

发明内容

本发明即是基于以上所述现状进行的，目的在于制作一种方便、安全可靠，能和现在的通讯光纤直接匹配的微结构光纤，利用反蛋白石光子带隙波段近乎完全反射，提供一种具有仅滤除光子带隙波段，而其他波段具有高透射率的微结构光纤。

为了实现上述发明目的，本发明的微结构光纤采用如下技术方案：

一种反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤,包括两段去除部分涂覆层后的标准光纤、毛细管、反蛋白石结构和热塑套管，毛细管的两端开有喇叭口，毛细管内制备有反蛋白石结构；两段标准光纤的各自一端去除涂覆层后,分别垂直切割，端面都为平整的圆形，所述两个平整端再分别从所述毛细管两端的喇叭口穿入毛细管，与所述反蛋白石结构接触；所述毛细管两端的喇叭口分别卡住所述两段标准光纤的涂覆层，并利用胶水填满所述两个喇叭口来固定光纤；上述组成的光纤-毛细管-光纤结构采用热塑套管固定封装。

本发明的微结构光纤的制备方法采用如下工艺步骤：

a）取一根两端开有喇叭口的毛细管,分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20分钟，然后用氮气吹干备用；

b）配置SiO₂或者TiO₂的前驱物溶液，SiO₂的前驱物溶液质量比为—TEOS（98wt%）：0.1M/L 的HCl：无水乙醇=1:1:1.5；TiO₂的前驱物水溶液为TiBALDH（10wt%），搅拌一小时备用；

c）配置PS或PMMA材料的胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×100％ <0.2％，体积百分比浓度为1%~3%，溶剂为去离子水；

d）将步骤b）中配置的前驱物溶液添加到由步骤c）得到的胶体微球溶液中，添加的前驱物溶液体积百分比是胶体微球溶液体积百分比的10倍；

e）将步骤a）中的毛细管垂直插入d）中配置好的溶液内，在毛细管中吸入一段溶液后取出毛细管；

f）将步骤e）中的毛细管竖直固定在恒温干燥箱内，在一定的温度、湿度的条件下，采用Sol-gel协同自组装法在毛细管内自组装胶体晶体，胶体晶体的间隙中水分减少时形成前驱物凝胶，恒温条件下静置20小时左右；

g）将步骤f）中制备的管内自组装有胶体晶体的毛细管在一定温度下进行烧结，除去PS或者PMMA胶体晶体，于是在毛细管内得到一段反蛋白石结构；

h）取两段标准光纤，两段光纤的一端去除部分涂覆层并垂直切割，两段光纤垂直切割的一端分别从g）中制备的毛细管两端的喇叭口穿入毛细管内，至反蛋白石结构处为止，毛细管的两个喇叭口分别卡住两段光纤另一端的涂覆层，用胶水填满喇叭口固定住光纤，组成的光纤-毛细管-光纤结构再采用热塑套管固定封装，即得到所述反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤。

本发明采用Sol-gel协同微球自组装的方法，在毛细管内制备反蛋白石结构，毛细管两端对插标准光纤并固定，采用热塑套管封装技术形成微结构光纤,具有在带阻滤波效应，且反蛋白石结构可以利用其孔径大小、材料介电常数调整阻带的位置及带宽；通过在毛细管内制备不同孔径或不同材质的反蛋白石结构，或者在反蛋白石结构的空隙部分填充不同折射率的材料，均可以改变阻带中心频率及带宽，达到任意选频、滤波的目的，同时也可以进一步组合成为廉价的生物和液体传感器件、滤波器等。

附图说明

图1是本发明反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤的制备装置示意图：（a）毛细管吸取溶液的装置；（b）恒温自组装胶体晶体装置，1-1两端有喇叭口的毛细管、1-2烧杯、1-3添加一定比例前驱液的胶体微球溶液、1-4夹子、1-5万向可调支架、1-6恒温鼓风干燥箱。

图2（a）是本发明中胶体晶体的结晶过程示意图；（b）是胶体晶体凝胶形成的示意图。2-1胶体晶体；2-2毛细管壁对胶体微球的阻力；2-3向上的毛细力；2-4胶体微球；2-5微球和溶液重力；2-6前驱物水解缩聚水分减少形成的凝胶。

图3 是本发明反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤侧面结构示意图。3-1光纤胶水；3-2光纤；3-3烧结去除胶体微球的反蛋白石结构。

图4是图3中反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤透射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明中的标准光纤可采用国际电信联盟规范的G.652、G.653、G.655、G.656、OM1、OM2或OM3的标准光纤。

本实施例制备由反蛋白石结构修饰纤芯的微结构光纤的步骤如下：

a）取一根两端开有喇叭口的石英毛细管1-1（从京良玻璃管加工厂购买）,毛细管内径126μm，外径1.8mm，长30mm，喇叭口长0.7mm，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20分钟，然后用氮气吹干备用；

b）配置SiO₂前驱物溶液，SiO₂的前驱物溶液质量比为—TEOS（98wt%）：0.1M/L 的HCl：无水乙醇=1:1:1.5，搅拌一小时备用；

c）配置粒径为690nm PS材料的胶体微球溶液，微球直径偏差/平均直径×100％ <0.2％，体积百分比浓度为2%，溶剂为去离子水；

d）将步骤b）中配置的SiO₂前驱物溶液添加到c）中配置的PS胶体微球溶液中，添加的体积百分比是20%；

e）将步骤a）中毛细管1-1垂直插入d）中配置好的溶液1-3内，在毛细管1-1中吸入一段溶液1-3，然后取出毛细管1-1；

f）将步骤e）中的毛细管1-1用夹子1-4和万向可调支架1-5竖直固定在恒温干燥箱1-6内，恒温50度，湿度40%-60%，采用Sol-gel协同自组装法在毛细管1-1内自组装胶体晶体2-1，胶体晶体2-1的间隙中水分减少时形成前驱物凝胶2-6，在恒温50度的条件下静置20小时左右；

g）将步骤f）中制备的管内自组装有胶体晶体2-1的毛细管1-1在500度的箱式炉中进行烧结2小时，除去PS胶体晶体2-1，在毛细管内得到一段反蛋白石结构3-3；

h）取两段标准单模光纤3-2，纤芯9μm，包层125μm，两段光纤3-2的一端去除部分涂覆层并垂直切割，两段光纤3-2垂直切割的一端分别从g）中制备的毛细管1-1两端的喇叭口穿入毛细管1-1内，至反蛋白石结构3-3处为止，毛细管的两个喇叭口分别卡住两段光纤另一端的涂覆层，用光纤胶水3-1填满喇叭口固定住光纤，得到的光纤-毛细管-光纤结构再采用热塑套管固定封装，即得到反蛋白石修饰纤芯的微结构光纤。