基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器及其制法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光纤电流传感器的研宄与制备。更具体而言，是通过在腐蚀过的光纤端面上集成两个金电极和悬空的石墨烯薄膜来制备出高灵敏度超快光纤电流传感器。
【背景技术】
[0002]由于能够有效地避免电磁干扰，光纤电流传感器在很多领域有着重要的应用。传统的光纤电流传感器主要是利用磁光效应来实现对电流的测量，但是由于光纤材料的法拉第常数很小，导致基于这种原理的传感器的尺寸很大。
[0003]为了减小器件的尺寸，最近几年基于热光效应的光纤电流传感器引起人们的注意。现有两种典型的结构分别是:(I)在光纤布拉格光栅上镀一层金属，(2)把微光纤缠绕在导电棒子上。这两种结构的缺点在于响应时间长(从秒到分钟)、灵敏度不够高(<300nm/A2) ?
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:提出一种具有高灵敏度、相应超快的光纤电流传感器及其制备方法。
[0005]本发明采用的技术方案是:
[0006]基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器，包括光纤、两个金属电极和石墨烯薄膜，所述光纤的一端面设有微孔，所述金属电极设置在光纤的侧面及所述端面上，金属电极在所述端面上位于微孔的两侧，所述石墨烯薄膜覆盖在微孔和金属电极的上方，在微孔区域形成悬空结构。
[0007]进一步地，所述微孔的数量为I个，其深度为75微米，直径为15微米。
[0008]上述悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤:(I)将光纤的一端面切平，利用氢氟酸来腐蚀切平后的光纤，在端面形成一个深度为75微米、直径为15微米的微孔；(2)制备两个金属电极:利用石蜡作为掩膜在腐蚀过的光纤端面上、微孔的两侧以及光纤侧面镀上金属薄膜，厚度为100纳米，随后置于四氯化碳溶液中半个小时去除石蜡以及镀在石蜡上的金属薄膜；(3)通过化学气相沉积的方法，在铜箔上生长一层石墨烯，然后将底层的铜箔用浓度为I摩尔每升的三氯化铁溶解去除，得到石墨烯薄膜；(4)利用转移法将石墨烯薄膜转移到步骤(2)制备的光纤端面上，石墨烯薄膜同时覆盖微孔和两个金属电极，并在微孔的区域形成悬空石墨烯的结构。
[0009]本发明悬空的石墨烯薄膜和光纤-空气界面形成法布里珀罗腔。当石墨烯薄膜通电加热后，其形状会发生改变，相应地改变了法布里珀罗腔的腔长，腔长的改变体现为光谱仪上谐振波长的移动。通过拟合谐振波长移动与电流平方的关系可以得到该电流传感器的电流灵敏度。该电流传感器的响应时间可以通过光功率计记录电流开关瞬间的光功率数值变化来测得。本发明中的敏感元件为直径15微米左右的悬空石墨烯薄膜，具有尺寸极小的特点，因而表现出极高的灵敏度和极短的响应时间。
[0010]本发明的有益效果:(I)本发明通过腐蚀光纤、蒸镀金电极、转移石墨烯，制备出了高灵敏度超快光纤电流传感器，其灵敏度为2.2 X 1Wa2,响应时间约为0.3秒，性能远优于其他基于热效应的光纤电流传感器；(2)相对于基于磁光效应的光纤电流传感器，本发明的测试光路非常简单；(3)本发明的敏感元件尺寸仅为15微米，为世界上最小的光纤电流传感器；(4)本发明中利用石蜡掩膜在光纤端面和侧面制备金电极的方法也是国际首创。
【附图说明】
[0011]图1为本发明基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器的示意图。
[0012]图2为本发明的光路图。
[0013]图3为本发明在不同电流下的(a)反射谱图和(b)谐振峰波长移动随电流变化图。其中，(b)图中的点表示实验测量值，线表示线性拟合的结果。
[0014]图4为本发明响应时间图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做更进一步的具体说明，以使本发明的特点得以展现清楚。
[0016]图1是本发明光纤电流传感器的结构示意图，石墨烯薄膜I同时覆盖了光纤3端面上的金电极2和小孔4。电流从一个电极输入，另外一个电极输出，小孔4上方悬空的石墨稀薄膜I作为敏感元件。
[0017]制备时，先用光纤切割刀将单模光纤一端切平，然后将切好的光纤放入40%的氢氟酸水溶液中浸泡9分钟。由于光纤芯层和包层的腐蚀速率不同，在光纤3端面会产生一个深度为75微米、直径为15微米的小孔4。腐蚀过的光纤固定在载玻片上，并且放置于温度为65摄氏度的热台上。将一小片石蜡放在光纤3上，由于热台的温度超过了石蜡的熔点，融化过后的石蜡由于表面张力会沿着光纤铺展开来。石蜡融化、铺展的过程由显微镜监控，一旦液态石蜡盖住了光纤端面上的小孔4，整个样品会从热台上取下来，石蜡会随之凝固。
[0018]然后将整个样品放在真空镀膜机中镀上一层厚度约为100纳米的金薄膜，随后置于四氯化碳溶液中半个小时，以去除石蜡以及镀在石蜡上的金薄膜，这样在光纤3的端面上就形成了一个金电极2。另外一个电极也用同样的方法在光纤同一端面的小孔另一侧制备出来。
[0019]通过化学气相沉积的方法在铜箔上生长石墨烯薄膜I，将底层的铜箔用I摩尔每升的三氯化铁溶解后，石墨烯薄膜I漂浮在去离子水上，带有两个金属极的光纤3端面缓慢地靠近石墨烯直至接触到石墨烯，随后将光纤端面拉离液面。由于范德华力的存在，石墨烯薄膜I会贴合在光纤3的端面上，同时盖住两个金电极2和光纤端面上的小孔4，小孔4上方的石墨烯薄膜I与小孔4之间形成悬空结构。
[0020]图2是本发明的光路及电路图，其中ASE光源8和光谱分析仪9分别与光纤环路器5的入射端和反射端相连，光纤3与光纤环路器5的透射端通过熔接机进行熔接，电流源10的输出电流通过导线6和接触电极7导入到金电极2和石墨烯薄膜I中。
[0021]图3显示了本发明反射谱(a图)和谐振波长移动随电流平方变化的图(b图)。反射谱中的谐振是由于二氧化硅-空气端面和石墨烯薄膜形成一个法布里珀罗腔。谐振峰波长移动是由于电流加热石墨烯薄膜使其产生形变，从而改变了法布里珀罗腔的腔长。图中显示的电流灵敏度达到了 2.2X105nm/A2.
[0022]图4显示了本发明的响应时间。实验中，图2中的ASE光源和光谱仪分别被替换成可调激光器和光强度计。图中可以看出该传感器的响应时间约为0.3秒，远远低于其他基于热效应的光纤电流传感器。
【主权项】
1.基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器，其特征在于，包括光纤、两个金属电极和石墨烯薄膜，所述光纤的一端面设有微孔，所述金属电极设置在光纤的侧面及所述端面上，金属电极在所述端面上位于微孔的两侧，所述石墨烯薄膜覆盖在微孔和金属电极的上方，在微孔区域形成悬空结构。
2.根据权利要求1所述的基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器，其特征在于，所述微孔的数量为I个，其深度为75微米，直径为15微米。
3.如权利要求1所述基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤: (1)将光纤的一端面切平，利用氢氟酸来腐蚀切平后的光纤，在端面形成一个微米量级的微孔； (2)制备两个金属电极:利用石蜡作为掩膜在腐蚀过的光纤端面上、微孔的两侧以及光纤侧面镀上金属薄膜，随后置于四氯化碳溶液中去除石蜡以及镀在石蜡上的金属薄膜； (3)通过化学气相沉积的方法，在铜箔上生长一层石墨烯，然后将底层的铜箔用三氯化铁溶解去除，得到石墨烯薄膜； (4)利用转移法将石墨烯薄膜转移到步骤(2)制备的光纤端面上，石墨烯薄膜同时覆盖微孔和两个金属电极，并在微孔的区域形成悬空石墨烯的结构。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(I)得到的微孔深度为75微米，直径为15微米。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极的厚度为100纳米。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，置于四氯化碳溶液的去除时间为半个小时。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，三氯化铁的浓度为I摩尔每升。
【专利摘要】本发明公开了一种基于悬空石墨烯的高灵敏度超快光纤电流传感器及其制法。光纤电流传感器包括光纤、两个金属电极和石墨烯薄膜，光纤的一端面设有微孔，金属电极设置在光纤的侧面及端面上，金属电极在端面上位于微孔的两侧，石墨烯薄膜覆盖在微孔和金属电极的上方，在微孔区域形成悬空结构。先将光纤一端切平、腐蚀后产生一个微米量级的微孔，再借助石蜡融化之后产生的掩膜在光纤的侧面及端面上制备两个电极，随后将利用化学气相沉积方法制备的石墨烯薄膜转移到光纤端面上，同时覆盖住两个电极和端面上的微孔。本发明的光纤电流传感器的灵敏度为2.2×105nm/A2，响应时间约为0.3秒，其性能远优于其他基于热效应的光纤电流传感器。
【IPC分类】G01R19-00
【公开号】CN104635019
【申请号】CN201510100262
【发明人】徐飞, 郑必才, 严少诚, 陈锦辉, 陆延青, 胡伟
【申请人】南京大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年3月6日