基于氮化镓光电集成芯片的微型光纤曲率传感器

据麦姆斯咨询报道，近期，来自南京邮电大学、郑州大学、日本名古屋大学的研究人员共同提出一种将基于氮化镓（GaN）的光电芯片与塑料光纤（POF）集成的微型光纤曲率传感器。所提出的光纤曲率传感器具有较大的曲率测量范围（0~8.43 m⁻¹），可适用于具有人体运动的可穿戴传感场景。该研究为在光纤基板上开发下一代光电系统提供了新的思路。相关研究成果已发表于Communications Engineering期刊。

本研究提出的微型光纤曲率传感器制造过程

近些年，轻量化、低成本和小型化的曲率传感器在呼吸监测、关节角度评估和运动频率测量等人体运动监测领域广受关注。尤其是基于光纤的曲率传感器，因其成本低、耐腐蚀和抗电磁干扰等优势，引起了人们极大的兴趣。虽然一些石英光纤传感器已经实现了高灵敏度，但由于石英光纤的刚性，其传感范围仅限于低曲率区域（＜5 m⁻¹）。此外，由于昂贵的激光源和复杂的光学干涉路径，其光学结构通常体积庞大且成本高昂。然而，对于可穿戴设备而言，小型化配置是首选，光发射器、接收器和引导光纤的高度集成对于配置小型化传感系统至关重要。

与石英光纤相比，塑料光纤具有更大的纤芯尺寸和更高的数值孔径等优点，这使得发光二极管（LED）成为激光源的经济替代品。塑料光纤传感系统通常需要LED作为光源，光纤段作为传感单元，光电探测器（PD）作为检测元件。受益于第三代半导体材料的快速发展，GaN基LED因其寿命长、效率高、环境稳定性高成为主流照明光源。除了照明，GaN半导体还为构建芯片级器件集成提供了一个前景广阔的平台。由于InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构具有光发射和接收双重功能，这为双工光通信、反向光调制和光传感领域打开了一扇新的窗户。

该项工作中，研究人员提出一个概念验证，将GaN基光电芯片与塑料光纤集成，通过光纤端安装镜进一步实现芯片和光纤之间的反射传感架构。该芯片由LED和PD组成，通过微纳加工技术在单个GaN基材料平台上生长。采用单片集成设计，用微型芯片替代外部分立发光和检测元件，构建反射式光互连，进一步实现传感系统的小型化。

GaN基光电芯片与塑料光纤集成系统的鸟瞰光学图像

GaN基光电芯片与塑料光纤集成系统的曲率测试

为了证明所提出的光纤曲率传感器在可穿戴场景中的实用性，研究人员将其固定在手套织物上，以测试其手指运动监测的能力。经实验测试，在多种手指运动场景下，例如弯曲角度为30~90°，频率为0.4 Hz、1 Hz、1.6 Hz时，该传感器均可有效运行。研究证明了单片集成的LED和PD芯片可以与塑料光纤相结合，实现稳定运行。

指关节运动监测实验

总而言之，在该项工作中，研究人员提出并演示了一种构建便携式光纤曲率传感器的有效方法。通过在光纤基板上封装单片集成光电芯片，取代笨重的外部光源和探测器，形成体积小、成本低的结构布局。一方面，在单个GaN平台上制造的相同MQW结构提供了LED光源和PD双重功能，促进了批量生产和工艺兼容性。另一方面，LED和PD的单片集成利用光学反射传感布局，与透射式结构相比，其提供了灵活的传感器探头。经实验证明，该光纤曲率传感器展示出0~8.43 m⁻¹的大曲率测量范围，并表现出良好的线性度和可重复性。大曲率测量范围和快速响应特性使其可有效应用于人体关节运动监测，例如多种手指运动场景（不同弯曲角度和频率）。这些概念验证实验证明了利用此技术在光纤基板上集成光电芯片的有效性，为可穿戴设备中的小型化传感系统带来了广阔的应用前景。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44172-022-00049-w

审核编辑 ：李倩