[发明专利]单晶半导体芯光纤及其制备方法

权利要求书

1.一种单晶半导体芯光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：纤芯为半导体材料Si或Ge，包层由玻璃毛细管收缩而成，有良好的芯包结构；所述单晶半导体芯光纤采用如下制备方法步骤制备而成：

(1)单晶半导体芯的制备：湿法腐蚀单晶半导体棒，按质量百分比计，25~35 wt%的碱性腐蚀溶液由高纯KOH固体GR 95±1%与去离子水配置而成，外加0~15 ml的30±1%浓度的H₂O₂溶液；将2.5±0.1 mm直径的锗细棒固定于自制的3D打印的夹具中，该夹具悬置在塑料试管内不接触溶液，晶体棒则浸于溶液中，管底的磁子则慢慢不断地旋转搅匀溶液；在60~75 ℃的油浴条件下腐蚀20~48 h可得300 μm尺寸以下的单晶六棱柱细棒（32），以上操作在一个可加热的磁力搅拌器上完成；

(2)包层毛细管的处理：选取适配尺寸的玻璃毛细管（31），对于锗材料用低硼硅玻璃毛细管，硅纤芯则选取软化温度更高的高硼硅玻璃毛细管，处理之前可将毛细管进行超声清洗处理，处理完成后，选取适配尺寸的石英尾纤或是单模光纤（33）从毛细管一端塞入至1/4~1/3管长处，随后通过热处理将该端软化封实；

(3)光纤预制棒的组装，将腐蚀后的单晶六棱柱细芯装填进一端封实处理后的玻璃毛细管中，由于底端支撑，所以细芯将于管中部停靠，管的上端不用封实处理；将此管上端用高温胶带绑在石英细棒（4）末端上，石英细棒上端与一小段粗的石英棒相连，该石英棒的尺寸能正好卡在一个带二维调整架的夹具上，此夹具固定在拉丝塔送棒装置（5）上；

(4)基于CO₂激光拉丝系统的光纤成形：该拉丝系统由光纤拉丝塔和CO₂激光器（1）组合而成；通过一个镜片组（2）进行环状光路的构建；将预制棒（3）装配于拉丝塔的送棒装置上，调整毛细管的位置使其处于光路中心，调整激光功率和送棒速度，由于毛细管为玻璃材质，其较低的软化温度可保证在半导体芯保持单晶结构的状态下，毛细管在激光作用下软化收缩，形成纤芯为单晶状态的半导体芯光纤。

2.根据权利要求1所述的单晶半导体芯光纤，其特征在于：作为包层的毛细管材料为低硼硅玻璃或不同软化温度的玻璃材料，毛细管的尺寸可以根据需要进行定制选择：分别为200、300、500 μm内径，外径500、500、700 μm的毛细管；纤芯是相应匹配尺寸的单晶半导体棒。

3.一种单晶半导体芯光纤制备方法，用于制备根据权利要求1或2所述的单晶半导体芯光纤，其特征在于制备工艺步骤如下：

(1)单晶半导体芯的制备：湿法腐蚀单晶半导体棒，按质量百分比计，25~35 wt%的碱性腐蚀溶液由高纯KOH固体GR 95±1%与去离子水配置而成，外加0~15 ml的30±1%浓度的H₂O₂溶液；将2.5±0.1 mm直径的锗细棒固定于自制的3D打印的夹具中，该夹具悬置在塑料试管内不接触溶液，晶体棒则浸于溶液中，管底的磁子则慢慢不断地旋转搅匀溶液；在60~75 ℃的油浴条件下腐蚀20~48 h可得300 μm尺寸以下的单晶六棱柱细棒（32），以上操作在一个可加热的磁力搅拌器上完成；

(2)包层毛细管的处理：选取适配尺寸的玻璃毛细管（31），对于锗材料用低硼硅玻璃毛细管，硅纤芯则选取软化温度更高的高硼硅玻璃毛细管，处理之前可将毛细管进行超声清洗处理，处理完成后，选取适配尺寸的石英尾纤或是单模光纤（33）从毛细管一端塞入至1/4~1/3管长处，随后通过热处理将该端软化封实；

(3)光纤预制棒的组装，将腐蚀后的单晶六棱柱细芯装填进一端封实处理后的玻璃毛细管中，由于底端支撑，所以细芯将于管中部停靠，管的上端不用封实处理；将此管上端用高温胶带绑在石英细棒（4）末端上，石英细棒上端与一小段粗的石英棒相连，该石英棒的尺寸能正好卡在一个带二维调整架的夹具上，此夹具固定在拉丝塔送棒装置（5）上；

(4)基于CO₂激光拉丝系统的光纤成形：该拉丝系统由光纤拉丝塔和CO₂激光器（1）组合而成；通过一个镜片组（2）进行环状光路的构建；将预制棒（3）装配于拉丝塔的送棒装置上，调整毛细管的位置使其处于光路中心，调整激光功率和送棒速度，由于毛细管为玻璃材质，其较低的软化温度可保证在半导体芯保持单晶结构的状态下，毛细管在激光作用下软化收缩，形成纤芯为单晶状态的半导体芯光纤。