[发明专利]微纳结构D形光纤及制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种新型微纳结构D形光纤的制备工艺及应用。该发明提出了通过纳米压印将模板上的微纳结构转移到D形光纤平面的制备工艺流程和参数控制，并将该D形光纤具体应用到传感、通讯、集成光学等领域。

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。早在半个世纪前，物理学家就已经知道，晶体(如半导体)中的电子由于受到晶格的周期性位势(periodic potential)散射，部份波段会因破坏性干涉而形成能隙(energy gap)，导致电子的色散关系(dispersion relation)呈带状分布，此即著名的电子能带结构(electronic band structures)。到1987年，E.Yablonovitch及S.John不约而同地指出，类似的现象也存在于光子系统中：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，近年来基于光纤布拉格光栅（fiber Bragg gratings）的应用迅猛发展更是证明了层状周期结构在光通讯及传感领域的重要性。

在光纤上制作布拉格光栅等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。与传统传感器相比，这种具有微纳结构的光纤传感器具有远距离分布传感、在线测量、设计简单、体积小和成本低等特点。但是普通光纤横截面为圆形，在其表面制作结构难度大，结构质量难以得到保证，同时制作在光纤包层上的结构与芯层之间的距离较大，消逝场强度不够，对传感测量的灵敏度和准确度都会有影响。为了使消逝场强度增大，则需要将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。

D形光纤是一种通过研磨或者腐蚀的方法改变普通光纤（包括单模光纤和多模光纤）横截面形状和结构，从而改变基模传输特性的特种光纤。如图1a所示，原普通光纤的包层直径为2r，无论单模光纤还是多模光纤其包层直径通常都是125微米；经研磨后其剖面成字母“D”的形状，曲率半径为3r到∞的一面称为D形平面；光纤芯层直径为2a，对于单模光纤一般为3~10微米，多模光纤为50~65微米，典型值为50微米和62.5微米；d是从芯层中心到D形平面的距离，通常为5到15微米。D形平面处有较强的消逝场，其分布见图1b，较普通圆光纤显著增强。

较弧形面而言，在D形光纤的较平一面制作结构变得容易，结构的质量也得到保证。因此探索简便、高效的在D形光纤上制作微纳结构实现折射率周期性调制的微纳结构的方法具有现实的意义和广泛的应用价值。

目前尚无利用压印技术实现微纳结构D形光纤制备的任何报道。以微纳结构光栅为例：在普通光纤上，人们主要通过如下两种方法制作微纳结构光栅：相位掩膜法和逐点写入法。①、相位掩膜法将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于光纤上，利用相位掩膜压制零级衍射增强一级衍射的功能，使紫外光经过掩膜相位调制后正负一级衍射谱线在光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的布拉格光栅。这种方法的不足之处是只适用于周期结构，难以实现复杂图案的制备，且掩膜制作工艺复杂、成本不菲。②、逐点写入法是利用精密机构控制光纤位移，逐次曝光刻写。该方法能够实现任意图案的制备，但需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移设备，成本高，效率低。因此，发明一种低成本、高效率的能在D形光纤平面上制备光栅微纳结构的方法具有重要的价值。