基于氮化鎵光電集成芯片的微型光纖曲率傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自南京郵電大學、鄭州大學、日本名古屋大學的研究人員共同提出一種將基于氮化鎵（GaN）的光電芯片與塑料光纖（POF）集成的微型光纖曲率傳感器。所提出的光纖曲率傳感器具有較大的曲率測量范圍（0~8.43 m?1），可適用于具有人體運動的可穿戴傳感場景。該研究為在光纖基板上開發(fā)下一代光電系統(tǒng)提供了新的思路。相關研究成果已發(fā)表于Communications Engineering期刊。

本研究提出的微型光纖曲率傳感器制造過程

近些年，輕量化、低成本和小型化的曲率傳感器在呼吸監(jiān)測、關節(jié)角度評估和運動頻率測量等人體運動監(jiān)測領域廣受關注。尤其是基于光纖的曲率傳感器，因其成本低、耐腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)勢，引起了人們極大的興趣。雖然一些石英光纖傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了高靈敏度，但由于石英光纖的剛性，其傳感范圍僅限于低曲率區(qū)域（＜5 m?1）。此外，由于昂貴的激光源和復雜的光學干涉路徑，其光學結構通常體積龐大且成本高昂。然而，對于可穿戴設備而言，小型化配置是首選，光發(fā)射器、接收器和引導光纖的高度集成對于配置小型化傳感系統(tǒng)至關重要。

與石英光纖相比，塑料光纖具有更大的纖芯尺寸和更高的數(shù)值孔徑等優(yōu)點，這使得發(fā)光二極管（LED）成為激光源的經(jīng)濟替代品。塑料光纖傳感系統(tǒng)通常需要LED作為光源，光纖段作為傳感單元，光電探測器（PD）作為檢測元件。受益于第三代半導體材料的快速發(fā)展，GaN基LED因其壽命長、效率高、環(huán)境穩(wěn)定性高成為主流照明光源。除了照明，GaN半導體還為構建芯片級器件集成提供了一個前景廣闊的平臺。由于InGaN/GaN多量子阱（MQW）結構具有光發(fā)射和接收雙重功能，這為雙工光通信、反向光調(diào)制和光傳感領域打開了一扇新的窗戶。

該項工作中，研究人員提出一個概念驗證，將GaN基光電芯片與塑料光纖集成，通過光纖端安裝鏡進一步實現(xiàn)芯片和光纖之間的反射傳感架構。該芯片由LED和PD組成，通過微納加工技術在單個GaN基材料平臺上生長。采用單片集成設計，用微型芯片替代外部分立發(fā)光和檢測元件，構建反射式光互連，進一步實現(xiàn)傳感系統(tǒng)的小型化。

GaN基光電芯片與塑料光纖集成系統(tǒng)的鳥瞰光學圖像

GaN基光電芯片與塑料光纖集成系統(tǒng)的曲率測試

為了證明所提出的光纖曲率傳感器在可穿戴場景中的實用性，研究人員將其固定在手套織物上，以測試其手指運動監(jiān)測的能力。經(jīng)實驗測試，在多種手指運動場景下，例如彎曲角度為30~90°，頻率為0.4 Hz、1 Hz、1.6 Hz時，該傳感器均可有效運行。研究證明了單片集成的LED和PD芯片可以與塑料光纖相結合，實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

指關節(jié)運動監(jiān)測實驗

總而言之，在該項工作中，研究人員提出并演示了一種構建便攜式光纖曲率傳感器的有效方法。通過在光纖基板上封裝單片集成光電芯片，取代笨重的外部光源和探測器，形成體積小、成本低的結構布局。一方面，在單個GaN平臺上制造的相同MQW結構提供了LED光源和PD雙重功能，促進了批量生產(chǎn)和工藝兼容性。另一方面，LED和PD的單片集成利用光學反射傳感布局，與透射式結構相比，其提供了靈活的傳感器探頭。經(jīng)實驗證明，該光纖曲率傳感器展示出0~8.43 m?1的大曲率測量范圍，并表現(xiàn)出良好的線性度和可重復性。大曲率測量范圍和快速響應特性使其可有效應用于人體關節(jié)運動監(jiān)測，例如多種手指運動場景（不同彎曲角度和頻率）。這些概念驗證實驗證明了利用此技術在光纖基板上集成光電芯片的有效性，為可穿戴設備中的小型化傳感系統(tǒng)帶來了廣闊的應用前景。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-022-00049-w

審核編輯 ：李倩