研究人员开发出灵活 可拉伸的光子器件

基于光的设备可以用作生物医学传感器或用作电子设备的柔性连接器。

麻省理工学院和其他几个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，但基于光而不是电 - 可以弯曲和拉伸而不会损坏。这些装置可用于连接计算设备的电缆，或用于可附着在皮肤上或植入体内的诊断和监测系统，可与天然组织轻松弯曲。

麻省理工学院副教授Juejun Hu和麻省理工学院，中佛罗里达大学以及中国和法国大学的十几人都发表了两篇论文，其中涉及使用一种名为硫属元素的特殊玻璃。

Hu，他是Merton C. Flemings材料科学与工程副教授，他表示很多人都对光学技术可以拉伸和弯曲的可能性感兴趣，特别是对于可直接感应光学的皮肤监测设备等应用信号。例如，这种装置可以同时检测心率，血氧水平，甚至血压。

光子器件使用与制造电子微芯片相同类型的工艺制造的LED，透镜和反射镜系统直接处理光束。使用光束而不是电子流可以为许多应用带来优势; 例如，如果原始数据是基于光的，则光学处理避免了对转换过程的需要。

但胡说，大多数现有的光子器件是用刚性基板上的刚性材料制成的，因此对于“应该像人体皮肤一样柔软”的应用具有“固有的不匹配”。但是大多数软材料，包括大多数聚合物，都具有低折射率指数，导致限制光束的能力差。

Hu和他的团队采用了一种新颖的方法，而不是使用这种柔性材料：他们将刚硬的材料 - 在这种情况下是一层薄薄的一种称为硫族化物的玻璃 - 形成一个弹簧状的线圈。正如钢材在形成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伸展和弯曲，同时保持其所需的光学性能。

“你最终会得到像橡胶一样柔韧的东西，它可以弯曲和拉伸，并且仍然具有高折射率并且非常透明，”胡说。测试表明，直接在聚合物基底上制成的这种类似弹簧的构造可经历数千次拉伸循环，而其光学性能没有可检测的降低。该团队生产了各种光子元件，通过柔性的弹簧状波导相互连接，全部采用环氧树脂基质，在光学元件附近变得更硬，在波导周围更加灵活。

其他类型的可拉伸光子学是通过在聚合物基体中嵌入更硬材料的纳米棒制成的，但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，可拉伸的光子电路也可用于器件需要符合某些其他材料的不平坦表面的应用，例如应变仪。据Hu介绍，光学技术对应变非常敏感，并且可以检测到不到百分之一的变形。

这项研究仍处于早期阶段; 到目前为止，Hu的团队一次只展示了单个设备。“为了使它有用，我们必须展示集成在一个设备上的所有组件，”他说。目前正在努力开发这项技术，以便在商业上应用，胡说可能需要两到三年的时间。

胡和他的合作者还开发了一种新的方法，将由硫属化物玻璃和石墨烯等二维材料制成的光子层与传统的半导体光子电路相结合。用于集成这些材料的现有方法要求它们在一个表面上制造然后剥离并转移到半导体晶片上，这增加了该工艺的复杂性。相反，新工艺允许在室温下直接在半导体表面上制造层，允许简化制造和更精确的对准。

该方法还可以利用硫属化物材料作为“钝化层”，以保护2-D材料免受由环境湿气引起的降解，并且作为控制2-D材料的光电特性的方式。胡说，该方法是通用的，可以扩展到除石墨烯之外的其他新兴二维材料，以扩展和加速它们与光子电路的集成。