研究人員開發出靈活 可拉伸的光子器件

基于光的設備可以用作生物醫學傳感器或用作電子設備的柔性連接器。

麻省理工學院和其他幾個機構的研究人員已經開發出一種制造光子器件的方法 - 類似于電子器件，但基于光而不是電 - 可以彎曲和拉伸而不會損壞。這些裝置可用于連接計算設備的電纜，或用于可附著在皮膚上或植入體內的診斷和監測系統，可與天然組織輕松彎曲。

麻省理工學院副教授Juejun Hu和麻省理工學院，中佛羅里達大學以及中國和法國大學的十幾人都發表了兩篇論文，其中涉及使用一種名為硫屬元素的特殊玻璃。

Hu，他是Merton C. Flemings材料科學與工程副教授，他表示很多人都對光學技術可以拉伸和彎曲的可能性感興趣，特別是對于可直接感應光學的皮膚監測設備等應用信號。例如，這種裝置可以同時檢測心率，血氧水平，甚至血壓。

光子器件使用與制造電子微芯片相同類型的工藝制造的LED，透鏡和反射鏡系統直接處理光束。使用光束而不是電子流可以為許多應用帶來優勢; 例如，如果原始數據是基于光的，則光學處理避免了對轉換過程的需要。

但胡說，大多數現有的光子器件是用剛性基板上的剛性材料制成的，因此對于“應該像人體皮膚一樣柔軟”的應用具有“固有的不匹配”。但是大多數軟材料，包括大多數聚合物，都具有低折射率指數，導致限制光束的能力差。

Hu和他的團隊采用了一種新穎的方法，而不是使用這種柔性材料：他們將剛硬的材料 - 在這種情況下是一層薄薄的一種稱為硫族化物的玻璃 - 形成一個彈簧狀的線圈。正如鋼材在形成彈簧時可以拉伸和彎曲一樣，這種玻璃線圈的結構使其能夠自由伸展和彎曲，同時保持其所需的光學性能。

“你最終會得到像橡膠一樣柔韌的東西，它可以彎曲和拉伸，并且仍然具有高折射率并且非常透明，”胡說。測試表明，直接在聚合物基底上制成的這種類似彈簧的構造可經歷數千次拉伸循環，而其光學性能沒有可檢測的降低。該團隊生產了各種光子元件，通過柔性的彈簧狀波導相互連接，全部采用環氧樹脂基質，在光學元件附近變得更硬，在波導周圍更加靈活。

其他類型的可拉伸光子學是通過在聚合物基體中嵌入更硬材料的納米棒制成的，但那些需要額外的制造步驟并且與現有的光子系統不兼容，Hu說。

這種柔性，可拉伸的光子電路也可用于器件需要符合某些其他材料的不平坦表面的應用，例如應變儀。據Hu介紹，光學技術對應變非常敏感，并且可以檢測到不到百分之一的變形。

這項研究仍處于早期階段; 到目前為止，Hu的團隊一次只展示了單個設備。“為了使它有用，我們必須展示集成在一個設備上的所有組件，”他說。目前正在努力開發這項技術，以便在商業上應用，胡說可能需要兩到三年的時間。

胡和他的合作者還開發了一種新的方法，將由硫屬化物玻璃和石墨烯等二維材料制成的光子層與傳統的半導體光子電路相結合。用于集成這些材料的現有方法要求它們在一個表面上制造然后剝離并轉移到半導體晶片上，這增加了該工藝的復雜性。相反，新工藝允許在室溫下直接在半導體表面上制造層，允許簡化制造和更精確的對準。

該方法還可以利用硫屬化物材料作為“鈍化層”，以保護2-D材料免受由環境濕氣引起的降解，并且作為控制2-D材料的光電特性的方式。胡說，該方法是通用的，可以擴展到除石墨烯之外的其他新興二維材料，以擴展和加速它們與光子電路的集成。