连接到光纤的纳米线的制造方法与流程

本发明涉及一种连接到光纤的纳米线的制造方法。本发明还涉及一种包括由这种方法制造的纳米线的光学传感器。

背景技术：

光纤包括由较高折射率材料形成的中心部分(芯)和由较低折射率材料形成的外部部分(包层)，使得穿过中心部分的光可以被全反射。因此，因为光纤的光传输损耗非常低，从而传输数据的损失低，并且几乎不受外部影响，所以光纤被广泛用于如光通信和光学传感器等应用。

进一步地，由于制造工艺和功能实现，光纤直径通常为100到1000μm。在具有小直径的光纤中，用作标准光纤的光纤具有10μm的芯直径和125μm的包层直径。由于制造工艺的困难，使光纤(尤其是芯)的直径小于此值并不容易。另一方面，由于纳米级研究的需要，最近进行了各种研究以使光纤可以用于纳米级研究、实验、设备等。

例如，研究了一种将具有纳米直径的纳米线连接到光纤远端的方法。如果光纤和纳米线分开制造然后定位在非常接近的位置以便将纳米线连接到光纤的远端，那么在纳米线和光纤之间的连接点处可能发生大的光损失(xinguo等.，nanolett.,2009,9(12),pp4515-4519"directcouplingofplasmonicandphotonicnanowiresforhybridnanophotoniccomponentsandcircuits")。图1是示出了当光纤和纳米线分开制造然后连接在一起时，在其连接部分发生光散射，并且光损失大的图。具体地，示出了当光被注入到zno棒的末端后观察到光传输到银棒时，光在两根棒的连接部分处被散射。

技术实现要素：

技术问题

为了解决通过常规技术不能解决的光纤和纳米线之间的连接部分处发生光散射的问题，本发明的目的是提供一种用于通过从光纤远端与光轴对齐地直接生长纳米线来将光纤和纳米线之间的连接部分处的光损失最小化的方法。

进一步地，本发明的目的在于根据纳米线的远端部的控制来控制光的接收、传输和反射。

技术方案

根据本发明的连接到光纤的纳米线的制造方法包括：a)使用用于形成纳米线的材料溶液填充微管；b)将所述微管与所述光纤在所述光纤的末端同轴对齐，使得所述光纤的纵轴和所述微管的纵轴成直线对齐；c)形成所述材料溶液的弯月面以形成同轴对齐状态的所述纳米线；以及d)通过在将在形成所述弯月面的状态下的所述微管沿远离所述光纤的方向提升的同时从用于形成所述纳米线的所述材料溶液中蒸发掉溶剂来制造所述纳米线。

优选地，根据本发明的所述纳米线可以进一步地包括通过向所述纳米线照射激光来控制所述纳米线的远端的形状的步骤。

优选地，所述光纤呈锥形形状并且在其远端具有0.2μm以下的直径。

优选地，所述光纤末端的直径比所述微管的直径小。

优选地，通过使用位于x轴和y轴上的光学透镜来执行将所述微管与所述光纤在所述光纤的末端同轴对齐，使得所述光纤的纵轴和所述微管的纵轴成直线对齐的步骤。

优选地，连接到所述光纤的所述纳米线具有84％以上的光耦合效率。

此外，本发明涉及一种包括光纤和根据本发明制造的连接到所述光纤的纳米线的光学传感器。

优选地，所述光学传感器沿着从所述光纤到所述纳米线的方向传输光。

优选地，所述光学传感器沿着从所述纳米线到所述光纤的方向接收光。

优选地，所述光学传感器沿着从所述光纤到所述纳米线的方向传输光并且沿着与所述方向相反的方向接收光。

发明效果

根据本发明制造的连接到光纤的纳米线在其与光纤的连接部分处没有光损失或者具有最小的光损失。

通过纳米线的远端部的控制，根据本发明制造的连接到光纤的纳米线可以被优化成不仅用于从光纤到纳米线的光的传输和接收而且用于从纳米线到光纤的光的传输和接收。

附图说明

图1是示出了当通过常规方法连接光纤和纳米线时的光损失的图。

图2是示出了根据本发明的微管与光纤在光纤的末端同轴对齐的图。

图3是示出了根据本发明的通过激光控制的纳米线的远端形状的示例的示意图。

图4的(a)和(b)是示出了根据本发明的具有纳米线的远端的受控形状的纳米线的照片，图4的(c)示出了示出图4的(a)和(b)的纳米线的光接收强度的图。

图5是示出了纳米线的制造过程的图。

图6的(a)示出了具有直径为350nm的纳米线的波导探针的fe-sem图像(尺寸条(sizebar)，5μm)，插入的图示出了与锥形光纤同轴对齐的纳米线的连接部分的fe-sem图像(尺寸条，1μm)。图6的(b)示出了连接到光纤的纳米线的光学显微照片(om)，图6的(c)示出了连接到光纤的纳米线的光致发光(pl)显微照片。

图7示出了作为输入激光功率的函数的耦合效率。

具体实施方式

本发明中使用的所有技术术语具有以下定义并且与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义一致，除非另有定义。此外，虽然在本说明书中描述了优选的方法或者样本，但是其他类似的或者等同的方法或者样本也包含在本发明的范围内。

本文使用的术语"弯月面”是指容器中液体的由于表面张力形成的曲面。根据液体的性质，液体表面是凹的或者凸的。

本发明涉及一种连接到光纤的纳米线的制造方法，尤其是涉及一种连接到光纤的纳米线的制造方法，该方法包括以下步骤：a)使用用于形成纳米线的材料溶液填充微管；b)将微管与光纤在光纤的末端同轴对齐，使得光纤的纵轴和微管的纵轴成直线对齐；c)形成材料溶液的弯月面以形成同轴对齐状态的纳米线；以及d)通过在将在形成弯月面的状态下的微管沿远离光纤的方向提升的同时从用于形成纳米线的材料溶液中蒸发掉溶剂来制造纳米线。在下文中，将更详细地描述每个步骤。

首先，将描述使用用于形成纳米线的材料溶液填充微管的步骤(a)。

形成纳米线的材料溶液包含能够形成弯月面的所有材料并且大多数有机物质可以用作材料溶液。具体地，可以使用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或者聚碳酸酯，并且也可以使用如cytop(无定形氟聚合物)等全氟化合物(pfc)。此外，也可以使用有机导电聚合物(π-共轭聚合物)，其具有电学和光学性质可以通过化学掺杂自由控制的特征。作为用于形成纳米线的材料溶液的溶剂，可以使用容易蒸发的材料。例如，可以使用选自二甲苯、氯苯和甲苯中的至少一种。

可以使用管拉拔器(pipettepuller)将微管制造成所需直径，或者也可以使用市售的微管。微管的直径优选大于光纤远端的直径，并且例如，可以是0.2μm或者更大。因此，通过以纳米线包裹光纤的这种形式制造纳米线可以使光损失最小化。也就是说，在本发明中可以使用任何微管而不受微管的类型、形状等的限制，只要其具有大于光纤远端的直径并且能够形成弯月面即可。

接着，将微管与光纤在光纤的末端同轴对齐，使得光纤的纵轴和微管的纵轴成直线对齐(步骤b)。

优选地，本发明中使用的光纤在与纳米线接触的部分处具有锥形形状，即，缩窄形状。由于通常使用的芯/包层光纤的直径为100μm以上，所以优选的是光纤的末端逐渐变细以具有0.2μm以下的直径，优选0.1μm以下，以便有效接触纳米线。

图2示出了微管与光纤在其锥形末端同轴对齐，使得光纤的纵轴和微管的纵轴位于一条直线上。为了使锥形光纤的纵轴与微管的纵轴同轴对齐，优选使用两个光学透镜使它们在x轴和y轴上彼此对齐。在仅仅使用一个光学透镜的情况下，由于在其他方向上发生误差，很难将它们沿同轴线对齐，并且通过微管生长的纳米线不能沿同轴生长，导致锥形光纤和纳米线之间的巨大的光学传输损失。为了同轴对齐，期望将光学透镜定位在彼此垂直的x轴和y轴上。通过将微管与锥形光纤的末端同轴对齐，使得纳米线沿着与微管的同轴对齐的同轴线生长，可以使光损失最小化。

接着，执行形成材料溶液的弯月面以形成同轴对齐状态的纳米线的步骤(c)。填充有用于形成纳米线的材料溶液的微管与光纤的末端间隔开，以形成用于形成纳米线的材料溶液的弯月面。

接着，执行制造纳米线的步骤(d)，其中通过在将在形成所述弯月面的状态下的微管沿远离光纤的方向提升的同时蒸发掉用于形成纳米线的材料溶液的溶剂来制造纳米线(步骤d)。具体地说，当在远离光纤的方向上提升微管同时将微管和形成的纳米线之间的间隙维持为使得两者之间的距离引起用于形成纳米线的材料溶液的弯月面时，形成的纳米线内的液体迅速蒸发，并且因此溶解的材料固化以形成柱。优选使用光学透镜沿光纤的纵轴，即，沿与x轴和y轴垂直的方向(z轴)提升微管。这里，光学透镜分别布置在x轴和y轴上。可以根据材料溶液的类型和浓度来调整提升速度(拉拔速度)以形成纳米线。

此外，根据本发明的连接到光纤的纳米线的制造方法可以进一步地包括通过用激光照射所述制造的纳米线来控制纳米线的末端部的形状的步骤(e)。在这种情况下，连接到光纤的纳米线可以通过以下步骤制造：a)使用用于形成纳米线的材料溶液填充微管；b)将微管与光纤在光纤的末端同轴对齐，使得光纤的纵轴和微管的纵轴成直线对齐；c)形成材料溶液的弯月面以形成同轴对齐状态的纳米线；d)通过在将在形成弯月面的状态下的微管沿远离光纤的方向提升的同时从用于形成纳米线的材料溶液中蒸发掉溶剂来制造纳米线；以及(e)通过向所述制造的纳米线照射激光束来控制纳米线的末端部的形状。

可以根据纳米线的远端部的形状确定光的反射和透射的程度。因此，优选的是控制纳米线的远端部的形状以便提高再现性和可靠性，如光接收和光检测等。特别地，纳米线的远端部的形状控制非常重要，因为它决定了当通过纳米线的远端部从外部接收光时所接收到的光的强度和方向性。图3示出了根据本发明的通过激光控制的纳米线的远端部的形状的示例。

此外，图4的(a)和图4的(a)示出了根据本发明的具有受控的远端部(在其形状方面)的纳米线，图4的(c)示出了用于比较图4的(a)和图4的(b)之间的光接收的图。图4的(b)的纳米线的特征在于将其制造成在切割表面处比图4的(a)的纳米线更尖锐。另一方面，当从与光纤的末端相对的并且不连接到纳米线的光纤的另一末端引导相同的光时，测量反射和返回的光的强度并且在图4的(c)中示出。可以观察到，在图4的(a)的纳米线的情况下的大约四分之一的反射和返回的光在具有尖端的图4的(b)的纳米线中被反射和返回。可以观察到，如图4的(b)中示出的，光通过纳米线的末端部向外透射。也就是说，通过控制纳米线的远端部的形状可以确定光的反射和透射。

图5是示出了纳米线的整个制造过程的图。

此外，本发明还涉及一种根据本发明制造的包括光纤和连接到光纤的纳米线的光学传感器。

根据本发明的光学传感器可以从光纤沿纳米线的方向传输光，或者从纳米线沿光纤的方向接收光。或者，其可以从光纤沿纳米线的方向传输光并且然后再次接收它。

根据本发明制造的连接到光纤的纳米线可以具有84％以上的耦合效率。耦合效率定义为纳米线末端的光功率和不包括纳米线的光纤末端的光功率之间的比。

图6的(a)示出了具有直径为350nm的纳米线的波导探针的fe-sem图像(尺寸条，5μm)，并且插入的图示出了与锥形光纤同轴对齐的纳米线的连接部分的fe-sem图像(尺寸条，1μm)。图6的(b)示出了连接到光纤的纳米线的光学显微照片(om)，图6的(c)示出了连接到光纤的纳米线的光致发光(pl)显微照片。如在图6中能够看到的，由于纳米线和锥形光纤之间的超光滑接头，在接头(黄色虚线圆圈)处很少发生光散射并且在接头处显示出高耦合效率(尺寸条，20μm)。这与当通常将纳米线附接在锥形光纤的远端上时发生一定量的散射现象的情况进行了比较。

图7示出了作为输入激光功率的函数的耦合效率，其中耦合效率(菱形标记)定义为根据本发明的纳米线末端的光功率(方形标记)和不包括纳米线的光纤(具有锥形末端部的光纤)末端的光功率(点标记)之间的比。相对于在本发明中测试的总输入激光功率，根据本发明制造的连接到光纤的纳米线的光学耦合显著提高到具有84％以上的耦合效率(图7中的菱形标记)的这种程度。这里，耦合效率由根据本发明的纳米线末端的光功率(图7中的方形标记)和不包括纳米线的光纤末端的光功率(图7中的点标记)之间的比确定。高耦合效率可以将纳米线末端的输入激光的输出激光功率显著减小到大约1nw到3nw，优选减小到1nw，这足以检测纳米线的光致发光(pl)。