本发明属于基于微探针的光电检测领域，尤其涉及一种用于微带探针的光纤端面耦合器的制作方法。
背景技术：
微探针多指用于高精度光电检测领域的光学微结构探头，比如目前常用的光纤探针。光纤探针直接在光纤末端进行加工，直接与光纤相连，甚至是光纤的一部分，配合使用成熟的二极管激光系统和光纤激光器产生所需的高斯光束，组成系统十分方便，然而在光强、分辨率、探测微区尺寸等很多方面存在不足。基于金属-绝缘体-金属波导结构的微带探针是最近提出的一种新型微探针，其本质为一种基于表面等离子体激元的纳米结构，具有本地激励能效高、尺寸小、损耗低等优点。微带探针可以实现超越衍射极限分辨率的效果，因此在超分辨率成像、光通信、超高密度数据存储等领域都有很好的应用前景。微带探针一经提出，就引发了很多研究者的兴趣，对其进行了理论和实验方面的研究以验证其优越性(s.kawata,y.inouye,p.verma,plasmonicsfornear-fieldnano-imagingandsuperlensing,2009,nat.photonics3,388–394)，其优点是金属-绝缘体-金属波导结构中金属化部分短，因此损耗很低；另外等离子体激励的能效高。最大的缺点是与光能的传输通道连接非常困难，无法达到实用化的目的。因此，发明一种能将微带探针与传输光纤耦合连接，且光能量耦合效率高、结构简单、易于实现的新型耦合器件是十分重要的，能有效推进微带探针的实用化，在超分辨光学系统、生物检测、光通信等领域发挥作用。
技术实现要素：
为了克服已有技术使用激光直接照射来激发等离子体激元存在的光学系统调整非常复杂、通用性很差、且光能耦合效率很低、无法实际应用的不足，本发明提供了一种用于微带探针的光纤端面耦合器的制作方法，使得微带探针能够与传输光纤耦合连接，提高等离子体激元的激励能效，并大幅度降低系统调整难度，推进微带探针的实用化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于微带探针的光纤端面耦合器的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
(1)通过热氧化法在硅晶片上生成氧化物层；
(2)在步骤(1)的氧化物层上沉积一层牺牲层；
(3)使用真空蒸发镀膜法，在步骤(2)的牺牲层上镀金属膜形成金属面屏；
(4)在步骤(3)的金属面屏上旋转涂敷光刻胶；
(5)对光刻胶进行紫外线曝光显影，形成插槽，所述插槽的形状为圆柱形，所述插槽的直径与待插接光纤的外径相同；
(6)将光纤插入插槽并固定；
(7)去除牺牲层，将光纤端面耦合器与硅晶片分离；
(8)利用聚焦离子束刻蚀技术在金属面屏上加工出供微带探针装配的安装孔。
进一步，所述步骤(1)中，热氧化法制备的过程为：去除硅晶片表面的自然氧化层，使用hf/h腐蚀液，将清洗过的晶片浸入腐蚀液内约1分钟后取出，用去离子水冲洗晶片表面后吹干；再放入管式真空炉并设置温度参数；将硅晶片放入管式炉中心位置，紧固炉管两侧的连接法兰，打开氧气钢瓶；启动管式炉，开始热氧化生长二氧化硅薄膜；生长结束后，取出。
再进一步，所述步骤(2)的牺牲层采用电化学沉积工艺。
更进一步，所述步骤(3)采用真空镀膜方法生长金属面屏，所述金属面屏的形状为圆形。
所述金属面屏为铝面屏，铝片熔点相对较低，采用电阻加热法加热。
所述步骤(4)中，光刻胶为su-8光刻胶，采用紫外光刻的方法，在su-8光刻胶上制备插槽，使得圆柱形su-8光刻胶的中心区域镂空但并未贯穿，此时，插槽与光纤相连，杯底外侧连接金属面屏，而金属面屏通过牺牲层和二氧化硅氧化层连接着硅基底；将牺牲层溶解，就将耦合器与硅晶片分离开来。
所述步骤(8)中，所述安装孔为方形孔，利用聚焦离子束刻蚀技术在金属面屏上加工出方形孔，所述方形孔必须贯穿铝面屏，其尺寸由微带探针的尺寸决定。
所述步骤(5)中，所述插槽为杯状插槽，所述杯状插槽的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属薄膜，形成所述金属面屏。
本发明的技术构思为：首先通过热氧化法和真空蒸发法，在硅晶片上生成铝面屏；接着，在铝面屏上涂敷su-8光刻胶，利用紫外光刻制备杯状插槽；进一步，用uv胶，将插入杯状插槽的光纤固定，去除牺牲层，将光纤端面耦合器与硅晶片分离；最后，在铝面屏中加工出所设计尺寸的方形孔。
本发明的有益效果主要表现在：(1)使微带探针像普通光纤探针那样，通过耦合器直接与光纤耦合连接，结构简单，使用方便；(2)等离子体激元的本地激励能效高；(3)微带探针金属化尺寸短，因此损耗很低；(4)方便与现有商用化的半导体激光器结合，形成大功率高斯光束，以实现其实用化，满足微带探针在超分辨光学系统、生物检测等领域中的应用。
附图说明
图1是光纤端面耦合器的三维结构示意图，其中，1代表光纤，2代表杯状插槽，3代表金属面屏，4代表金属面屏上的方形孔。
图2是光纤端面耦合器结构设计示意图，其中，(a)是插入光纤侧的视图、(b)是插入微带探针侧的视图、(c)是光纤端面耦合器的俯视图，d1表示杯状插槽的内径，d2表示杯状插槽的外径；a表示金属面屏上方形孔的长，u表示金属面屏上方形孔的宽；l1表示嵌入杯状插槽的光纤长度，l2表示杯状插槽的杯体总长度，l3表示金属面屏的厚度，l4表示杯状插槽的杯底厚度，l5、t和b分别代表微带探针的长度、金属层的厚度和绝缘体的厚度。
图3是制作步骤(3)沉积得到的铝面屏示意图，其中，5代表硅基底，6代表氧化层和牺牲层。
图4是制作步骤(4)旋涂生成su-8光刻胶结构示意图，其中，5代表硅基底，6代表氧化层和牺牲层。
图5是制作步骤(5)紫外光刻后形成的杯状插槽示意图，其中，5代表硅基底，6代表氧化层和牺牲层。
图6是制作步骤(6)利用uv胶固定光纤后的结构示意图，其中，5代表硅基底，6代表氧化层和牺牲层。
图7是制作步骤(7)光纤端面耦合器与硅晶片分离的示意图，其中，5代表硅基底，6代表氧化层和牺牲层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种用于微带探针的光纤端面耦合器的制作方法，其杯状插槽的材料为光塑性的环氧型su-8光刻胶、金属薄膜的材料为铝材料，制作方法包括以下步骤：
(1)通过热氧化法在硅晶片上生成氧化物层；
(2)在步骤(1)的氧化物层上沉积一层牺牲层；
(3)使用真空蒸发镀膜法，在步骤(2)的牺牲层上镀铝膜形成铝面屏；
(4)在步骤(3)的铝面屏上旋转涂敷su-8光刻胶；
(5)对su-8光刻胶进行紫外线曝光显影，形成插槽，所述插槽的形状为圆柱形，所述插槽的直径与待插接光纤的外径相同；
(6)将光纤插入插槽并使用uv胶固定；
(7)去除牺牲层，将光纤端面耦合器与硅晶片分离；
(8)利用聚焦离子束刻蚀技术在铝面屏上加工出所设计尺寸的供微带探针装配的安装孔。
所述步骤(1)中，热氧化法制备的二氧化硅薄膜结构致密、均匀性和重复性好。具体步骤：去除硅晶片表面的自然氧化层，使用hf/h腐蚀液，将清洗过的晶片浸入腐蚀液内约1分钟后取出，用去离子水冲洗晶片表面后吹干；再放入管式真空炉并设置温度参数。将硅晶片放入管式炉中心位置，紧固炉管两侧的连接法兰，打开氧气钢瓶。启动管式炉，开始热氧化生长二氧化硅薄膜；生长结束后，取出。
所述步骤(2)的牺牲层采用电化学沉积工艺。
所述步骤(3)采用真空镀膜方法生长铝面屏，铝面屏的形状为圆形，铝片熔点相对较低，采用电阻加热法加热。
所述步骤(4)采用紫外光刻的方法，在su-8光刻胶上制备杯形插槽，使得圆柱形su-8光刻胶的中心区域镂空但并未贯穿，类似杯子的形状。所述杯形插槽的作用是使光纤能够插入其中并使用uv胶固定住。此时，杯形插槽与光纤相连，杯底外侧连接铝面屏，而铝面屏通过牺牲层和二氧化硅氧化层连接着硅基底。将牺牲层溶解，就将耦合器与硅晶片分离开来。
所述步骤(8)中，所述安装孔为方形孔，利用聚焦离子束刻蚀技术在铝面屏上加工出方形孔，所述方形孔必须贯穿铝面屏，其尺寸由微带探针的尺寸决定，目的是使微带探针能够直接插入方形孔中。
所述步骤(5)中，所述插槽为杯状插槽，所述杯状插槽的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属薄膜，形成所述金属面屏。
本实施例的用于微带探针的光纤端面耦合器由金属面屏3和一个杯状插槽2构成。所述杯状插槽2的形状为圆柱形，其直径与光纤1的外径相同，所述光纤1插入杯状插槽2，使其恰好嵌入杯状插2槽中。所述杯状插槽2的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属薄膜，形成所述金属面屏3。所述金属面屏的中心开一个方形孔4，所述方形孔4贯穿整个金属薄膜。所述光纤1、金属面屏3、杯状插槽2、微带探针必须处在同一光轴上。
所述杯状插槽2的材料优选为光塑性的环氧型su-8光刻胶。
所述金属薄膜的材料优选为铝材料。
所述金属面屏3上的方形孔4，是为了固定微带探针。所述金属面屏是用来抑制背景辐射，抑制背景辐射的目的是为了减少微带探针扫描探测时的背景辐射干扰，增大其探测精确度。
所述方形孔4的尺寸由所述微带探针的尺寸决定，同时，所述金属面屏上的方形孔的尺寸使得只有te10模能够在方形孔中传播。
所述杯状插槽1的尺寸由与微带探针耦合连接的光纤的尺寸决定，须使得杯状插槽恰好能够固定住光纤，而所述杯状插槽的杯底的外侧平面与带有方形孔的金属面屏相接，所述方形孔固定住微带探针，总体效果是使微带探针与光纤耦合相连。
所述微带探针的结构尺寸、金属薄膜的厚度、金属面屏上方形孔4的尺寸由下列公式计算得出：
其中：
w＝b/2,u＝b/2+t
其中，γ是复传播常数，ω是电磁波的角频率，εd代表二氧化硅材料的介电常数、εm代表铝材料的介电常数、εa代表空气的介电常数，b代表微带探针中绝缘体的厚度，t代表微带探针中金属层的厚度，h代表磁场强度函数，ceff_1代表能量传递函数，p和p0分别是金属面屏前后的辐射能流。
进一步地，所述光能量通过光纤传输进入光纤端面耦合器，并通过端面耦合的方法激发出微带探针结构的等离子体。
本实施例的用于微带探针的光纤端面耦合器由铝面屏和一个光塑性的su-8光刻胶材料杯状插槽构成。所述杯状插槽的形状为圆柱形，其直径d1与光纤的外径相同，所述光纤插入杯状插槽，使其恰好嵌入杯状插槽中。所述杯状插槽的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属铝薄膜，形成所述铝面屏。光塑性su-8光刻胶杯状插槽的外径d2与铝面屏的直径相等，因此su-8光刻胶杯状插槽的底面与铝面屏重合。铝面屏的中心处有一个贯穿的方形孔，所述铝面屏上的方形孔，是为了固定微带探针，方形孔的长度a等于微带探针的宽度，方形孔的宽度u等于微带探针中绝缘体的厚度b，在实际使用中微带探针能够直接插入铝面屏。光纤、铝面屏、su-8材料杯状插槽、微带探针必须处在同一光轴上，保证光纤通过端面耦合器直接与微带探针连接。同时由光纤入射的激光，通过端面耦合的方式在微带探针上激发出等离子体。
所述铝面屏是用来抑制背景辐射，抑制背景辐射的目的是为了减少微带探针扫描探测时的背景辐射干扰，增大其探测精确度。所述方形孔的尺寸由所述微带探针的尺寸决定，同时，所述铝面屏上的方形孔的尺寸使得只有te10模能够在方形孔中传播。所述微带探针的结构尺寸、铝面屏的厚度、铝面屏上方形孔的尺寸由下列公式计算得出：
其中：
w＝b/2，u＝b/2+t
其中，γ是复传播常数，ω是电磁波的角频率，εd代表二氧化硅材料的介电常数、εm代表铝材料的介电常数、εa代表空气的介电常数，b代表微带探针中绝缘体的厚度，t代表微带探针中金属层的厚度，h代表磁场强度函数，ceff_1代表能量传递函数，p和p0分别是铝面屏前后的辐射能流。