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(bào)道，近期，來自南京郵電大學(xué)、鄭州大學(xué)、日本名古屋大學(xué)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(yùn)動(dòng)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(guān)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(guān)節(jié)角度評(píng)估和運(yùn)動(dòng)頻率測量等人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域廣受關(guān)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(shí)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(fù)雜的光學(xué)干涉路徑，其光學(xué)結(jié)構(gòu)通常體積龐大且成本高昂。然而，對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，小型化配置是首選，光發(fā)射器、接收器和引導(dǎo)光纖的高度集成對(duì)于配置小型化傳感系統(tǒng)至關(guān)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(diǎn)，這使得發(fā)光二極管（LED）成為激光源的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(dǎo)體還為構(gòu)建芯片級(jí)器件集成提供了一個(gè)前景廣闊的平臺(tái)。由于InGaN/GaN多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)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(lǐng)域打開了一扇新的窗戶。

該項(xiàng)工作中，研究人員提出一個(gè)概念驗(yàn)證，將GaN基光電芯片與塑料光纖集成，通過光纖端安裝鏡進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)芯片和光纖之間的反射傳感架構(gòu)。該芯片由LED和PD組成，通過微納加工技術(shù)在單個(gè)GaN基材料平臺(tái)上生長。采用單片集成設(shè)計(jì)，用微型芯片替代外部分立發(fā)光和檢測元件，構(gòu)建反射式光互連，進(jìn)一步實(shí)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(xué)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(shí)用性，研究人員將其固定在手套織物上，以測試其手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的能力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，在多種手指運(yùn)動(dòng)場景下，例如彎曲角度為30~90°，頻率為0.4 Hz、1 Hz、1.6 Hz時(shí)，該傳感器均可有效運(yùn)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

總而言之，在該項(xiàng)工作中，研究人員提出并演示了一種構(gòu)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(jié)構(gòu)布局。一方面，在單個(gè)GaN平臺(tái)上制造的相同MQW結(jié)構(gòu)提供了LED光源和PD雙重功能，促進(jìn)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(xué)反射傳感布局，與透射式結(jié)構(gòu)相比，其提供了靈活的傳感器探頭。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(fù)性。大曲率測量范圍和快速響應(yīng)特性使其可有效應(yīng)用于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，例如多種手指運(yùn)動(dòng)場景（不同彎曲角度和頻率）。這些概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了利用此技術(shù)在光纖基板上集成光電芯片的有效性，為可穿戴設(shè)備中的小型化傳感系統(tǒng)帶來了廣闊的應(yīng)用前景。

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

審核編輯 ：李倩