摘 要

微纳光纤（micro-nano fiber）是将普通光纤进一步拉伸至波长或亚波长尺度的一种新型的光波导结构。因为微纳光纤能产生较大的倏逝场，且具有较高的光功率密度等特性，从而在实现高灵敏度的非线性光学器件以及光学传感器件方面，比如微纳光纤激光器、微纳光纤环形腔、折射率传感器和气体传感器等展现出无限的可能。由于不同的传感器对于微纳光纤的各种结构参数有着不同的要，所以微纳光纤的加热拉伸制备技术已成为微纳光纤集成器件的一个重要环节。

从1964年开始，高琨博士最先提出以光代替电话网络中的电流，以玻璃纤维替代导线以来，光纤受到了全球研究人员的广泛关注。近些年，随着光纤技术的不断发展，各类光学器件已经开始朝着微型化的方向发展。相比与现有的电子器件，光子器件微型化的研究才刚刚开始。现有的光子器件尺寸较大，造价较高，所以为了提高信息处理量和加强器件集成程度，必须减小相应的光子器件的尺寸。而各种光学现象和器件实现的基石是又是微纳光波导。目前得到广泛研究的微纳光波导有硅基刻蚀波导，光子晶体波导，表面等离子体波导，宽禁带半导体纳米线波导，激光直写微纳波导和微纳光纤等。本人决定从微纳光纤的拉制方法入手，探究如何拉制出高质量的微纳光纤。

本文拟从微纳光纤的数学分析为起点，先实验验证微纳光纤锥区变化的基本数学模型，了解微纳光纤拉制长度与锥腰区直径的关系；然后改变加热方式，如对拉，扫火，CO₂激光器等，探究不同加热方式对微纳光纤拉制成功后锥区长度和锥腰区直径的影响；实验中利用光谱仪实时监测微纳光纤拉制过程中的直径变化；研究的最后我提出了PDMS和H-HPC作为光纤衬底的材料，对其以后在微纳光纤集成化器件的应用上提供了一种新的平台。

通过实验分析，拉制出的微纳光纤的锥区有基本的镜像对称结构，拉制长度越长，其锥腰区直径越细，且直径减小的变化速率逐渐降低；改变加热方式，会对微纳光纤的锥区长度产生影响，CO₂激光器拉制出的微纳光纤锥区最短，对拉法拉制出的微纳光纤锥区较长，扫火法拉制出的微纳光纤锥区最长；通过拉制过程中使用光谱仪对光纤进行检测，我们可以通过光谱仪上光的损耗周期变化来大致的判断此时刻光纤的直径；当微纳光纤的直径较大时，将其放在PDMS和H-HPC衬底上的光损耗差别不大，当微纳光纤直径较小时，光纤在H-HPC衬底上的损耗要更低。

关键词：微纳光纤，加热方式的改变，直径在线监测，H-HPC

Abstract

In recent years， the micro nano fiber optical fiber drawing preparation technology has become a micro and nano scale materials and optical research hotspot. This is mainly because the micronano fiber can produce large evanescent evanescent field， and has high optical power density， and other characteristics， to in achieving high sensitivity of nonlinear optical devices， such as micronano fiber ring junction laser and micronano fiber ring cavity， showing the infinite possibilities.

Since 1964， Gao Kun put forward in the telephone network to light instead of the current， with glass fiber instead of wire since， optical fiber by the widespread concern in the global researchers. In recent years， with the development of optical fiber technology， all kinds of optical devices began towards miniaturization development. And electronic devices than photonic devices miniaturization of a late start. Existing photonic device size larger， higher cost， so in order to increase the amount of information to be processed and strengthen the degree of integration of devices must reduced the size of photonic devices and micro nano optical waveguide is the cornerstone of the realization of a variety of optical phenomena and device. Has been extensively studied in micro nano optical waveguide based on silicon etching waveguide. Photonic crystal waveguide， surface plasmon waveguide， wide band gap semiconductor nanowire waveguide， laser direct writing micro nano waveguide and micro nano optical fiber， etc. Therefore， it is urgent to study the preparation of high quality micro nano optical fiber.

This article from the micronano fiber mathematical analysis as a starting point， first clarify the micronano fiber taper change the basic model of the understanding of the micronano fiber drawing and the length of taper waist area diameter； then change the heating mode， such as to pull， sweeping fire， CO2 laser， explore different ways of heating effects on the micronano fiber drawing success after cone length and cone waist zone diameter. Finally， I also learn how to use spectrometer real-time monitoring of micro and nano fiber drawing process changes in the diameter of， and produced a new organic substrates， compared with the existing PDMS substrate loss.

Fara longer effect through experimental analysis， the drawing of the micronano fiber taper region basic mirror symmetrical structure， the drawing length is longer， the cone waist diameters finer， and reduced diameter change rate decreased gradually. The change of the heating mode， the micronano fiber taper region length， CO2 laser is drawn out of the micronano fiber cone of the shortest of Rafa drawn out of the micronano fiber taper region， sweeping fire of micronano fiber cone of the longest. The drawing process using a spectrometer of fiber detection， we can use the spectrometer glazing loss cycle changes to roughly determine the fiber diameter； when the micronano fiber diameter is larger. The optical loss on PDMS and HPC H substrate is not very different. When the micro nano fiber is smaller， the loss of the fiber on HPC H substrate is lower.

Key words:　micronano fiber; Change of the heating mode；Diameter's monitoring； H-HPC

目录

摘 要 I

Abstract i

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 微纳光纤拉制的研究进展及存在问题 3

1.3本课题的主要研究目标 7

第2章 微纳光纤拉制长度与直径关系的研究 9

2.1微纳光纤的理论模型 9

2.2微纳光纤锥腰区直径与拉制长度的模型验证 12

第3章 改变拉制方式对微纳光纤锥腰区的影响 15

3.1 对称式对拉法拉制微纳光纤 15

3.2 扫火法拉制微纳光纤 16

3.3 CO₂激光器法拉制微纳光纤 16

3.4 三种拉制方式对微纳光纤锥腰区的影响 18

第4章 微纳光纤拉制的在线直径监测 19

第5章 新型有机物衬底的制作 20

5.1 H-HPC衬底的制作 20

5.2 PDMS衬底的制作 21

5.3 传输损耗测试 21

第6章 主要结论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

由于高琨博士对光纤的深刻研究，他获得了2009年的诺贝尔物理学奖。由于他具有跨时代意义的研究成果，光纤作为网络通信中最极其重要的信息传递媒介，已经进入到了千家万户^[1]。与上一代信息传输系统相比，以光纤作为通信介质的通信系统具有很多优势：（1）具有比较大的通信容量；（2）信号的传输距离更加的远；（3）信号不易受扰。（4）信息不容易被偷窃^[2-3]。

光纤是一种能传输光电磁波的介质波导。典型的标准光纤的结构如下图1-1所示。其最中间的部分是纤芯，纤芯的外面部分是包层，包层外面的部分是涂覆层，涂覆层主要用于防护外界环境的侵蚀。因为包层的折射率比纤芯的折射率低，从而形成一种光波导效应，这样绝大多数的光就会在纤芯中传输，从而光信号的长距离传输变为现实。只由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤，其对光纤的传输特性及光学特性起决定性的作用^[4-5]。