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工程师开发灵活可伸缩的光子器件

发布时间:2018-05-15 点击量:0

em麻省理工学院的工程师开发了一种新材料,可以重复拉伸和弯曲,而不会损失其光学特性。 / em

麻省理工学院和其他一些机构的研究人员已经开发出一种制造光子器件的方法 - 类似于电子器件,但是基于光而不是电 - 可以弯曲和拉伸而不会损坏。这些设备可以在电缆中找到用于连接计算设备的用途,或者可以用于可以连接到皮肤或植入身体的诊断和监测系统中,用天然组织轻松弯曲。

麻省理工学院副教授Juejun Hu和麻省理工学院,佛罗里达中部大学以及中国和法国大学的其他十几位学者在两篇论文中描述了使用称为硫族化合物的特殊玻璃的发现。该论文即将发表于 em Light:Science and Applications / em&gt ;.

Hu是Merton C. Flemings材料科学与工程系副教授,他说很多人都对能够拉伸和弯曲的光学技术感兴趣,尤其是对于可以直接感测光学的皮肤安装式监测设备等应用信号。例如,此类设备可能同时检测心率,血氧水平,甚至血压。

光子器件直接处理光束,使用与用于制造电子微芯片的相同种类的工艺制造的LED,透镜和镜子系统。使用光束而不是电子流可以为许多应用带来好处;如果原始数据是基于光的,例如,光学处理避免了转换过程的需要。

但是目前大多数光子器件都是用刚性基底上的刚性材料制成的,胡说,因此对于“应该像人体皮肤一样柔软”的应用而言具有“固有的不匹配”。但是大多数软质材料(包括大多数聚合物)具有低折射率指数,这导致限制光束的能力差。

用于测试新材料的实验室设置视图,表明它们可以伸展和弯曲,而不会失去限制光束和执行光子处理的能力。礼貌的研究人员

胡和他的团队没有使用这种柔性材料,而是采用了一种新颖的方法:他们将刚性材料 - 在这种情况下称为硫属化物玻璃 - 形成一层薄薄的一层玻璃,形成弹簧状线圈。正如钢成型为弹簧时可以拉伸和弯曲一样,这种玻璃线圈的结构使其能够自由拉伸和弯曲,同时保持其理想的光学性能。

“最终你会得到像橡胶一样灵活的东西,可以弯曲和拉伸,并且仍然具有高折射率并且非常透明,”胡说。测试表明,直接在聚合物基材上制造的这种类似弹簧的构造可经历数千次拉伸循环,其光学性能没有可检测的降解。该团队制造了各种光子器件,通过柔性的弹簧状波导互相连接,均采用环氧树脂基体,在光学元件附近变得更硬,波导周围更加灵活。

其他类型的可拉伸光子学已经通过在聚合物基体中嵌入更坚硬材料的纳米棒而制成,但是那些需要额外的制造步骤并且与现有的光子系统不兼容,Hu说。

这种柔性的,可拉伸的光子电路也可用于其中设备需要符合一些其他材料的不平坦表面的应用,例如在应变仪中。 Hu说,光学技术对应变非常敏感,并且可以检测到小于百分之一的变形。

这项研究还处于早期阶段;胡的团队迄今为止只展示过单一设备。 “为了有用,我们必须演示所有组件集成在一个设备上,”他说。目前正在开发这项技术的工作正在进行中,以便它可以在商业上得到应用,胡说可能需要两到三年的时间。

在上周在Nature Photonics / em杂志上发表的另一篇论文中,Hu和他的合作者也开发了一种将由硫属化物玻璃和二维材料如石墨烯制成的光子层与常规半导体光子电路。整合这些材料的现有方法要求将它们制作在一个表面上,然后剥离并转移到半导体晶片上,这为工艺增加了很大的复杂性。相反,新工艺允许在室温下直接在半导体表面上制造层,从而允许简化制造和更精确的对准。

该工艺还可以利用硫属化物材料作为“钝化层”,以保护二维材料免受由环境湿气引起的退化,并且作为控制二维材料的光电特性的一种方式。 Hu说,该方法是通用的,可以扩展到除石墨烯之外的其他新兴2D材料,以扩展和加速与光子电路的集成。

该研究团队还包括麻省理工学院博士后李岚和林洪涛等在麻省理工学院的德克萨斯大学,厦门大学和重庆大学,法国巴黎南大学,英国南安普顿大学的孔江教授,中佛罗里达大学。这项工作得到了美国国家科学基金会的支持,并且使用了MIT微系统技术实验室。

出版物:

单片集成可拉伸光子学Hongtao Lin等人,“Chalcogenide glass-on-graphene photonics”,Nature Photonics(2017)doi:10.1038 / s41566-017-0033-z

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler