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基于织物的光通信二极管光纤

发布:laserline    |    2018-08-10 13:50    阅读:972
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图1预制件结构和光纤拉伸后的结构。a,预制件结构说明。它由两个平板1和4组成,在它们的表面上沿着预制件的整个长度铣削凹槽,以容纳与光纤中的器件相接的金属线。在内层3中铣削能够容下电子装置的许多口袋(大约100μm)。将顶部聚合物层2置于包含所述装置的层的顶部,并将预制件在加热的液压机中热固化。b,预制件拉伸过程图示。金属钨丝线(橙色)伸入预制件,预制件被加热并拉伸(红色环)。然后将金属丝和器件嵌入并封装在光纤中。插图I,预制棒横截面的图示,设备(带有红色接触垫的绿色矩形)和放置在凹槽(白色矩形)中的导线(橙色圆圈)。凹槽比预制件中的金属丝大。插图II,光纤横截面的图示。器件和导线很好地嵌入光纤包层中,其中导线接触器件的接触垫。插图III,光纤横截面的光学显微照片,显示嵌入光纤包层中的两根钨丝,没有任何可见间隙或电短路。c,光纤的光学显微照片(侧视图),显示LED器件(红色虚线内部)和接触的导线。

半导体二极管是现代计算,通信和传感的基本构件模块。因此,将它们结合到纺织级光纤中可以增加织物的性能和功能,例如基于织物的通信或生理监测。然而,到目前为止,在热拉伸光纤中实现高质量的半导体二极管仍是要处理的最大阻碍。

图2 光发射和高带宽的光探测光纤。a-d,具有发光功能的多材料纤维。 a,光发射光纤的图示。 电线(橙色)连接到LED(紫色)和光纤端的电流源(黑色线)。b,含有InGaN蓝色LED的发光光纤的照片。这些装置平放在桌子上每370±110毫米出现一次。c,含有InGaN发光二极管的绿色发光纤维。d,含有AlGaAsP发光二极管的红色发光纤维。e-g,高带宽光电探测光纤。e,光电探测光纤结构的图示,其中单个光电二极管(橙色)与外部光束(红色箭头)相互作用。f,一个GaAs器件光纤的伏安特性曲线,显示出清晰的整流行为。黑色曲线在黑暗中获得,红色曲线在光照下获得。 在反向偏置方案中,当光纤被照射时,电流增加几个数量级。g,光电检测光纤的带宽测量(蓝色圆圈),实现的3 dB带宽约为3 MHz。

图3 光纤在织物中的嵌入和光纤包层的光准直。a,嵌入织物中的发光和光检测光纤。蓝色发光光纤嵌入织物中。插图,光纤-织物界面放大图。b,两根透镜光纤之间的通信。左光纤,发光光纤; 右光纤,光电探测光纤;红色区域,发光。光纤透镜可以被认为是沿着光纤的整个长度延伸的柱面透镜。c,光探测光纤的探测归一化电流与光纤间距离的关系图。蓝色符号,没有准直或聚焦;红色符号,光准直和光聚焦在光电二极管上;插图,发光纤维的光学显微照片,显示透镜和两个钨丝埋在包层。

昨日,来自麻省理工学院和瑞士联邦理工学院的科学家向我们展示了电连接二极管光纤的可扩展热拉伸工艺。首先制作出一个肉眼可见的具有中空通道的预制件,在中空通道中离散的半导体二极管与铜线或者钨丝并行排列。当粗加工成品被加热并被拉成光纤时,导线接近二极管形成电接触,这样在单根光纤内并联连接数百个二极管。在光纤内实现了两种类型的装置:光发射和光电检测p-i-n二极管。通过光纤包层中设计的透镜进行光准直和聚焦,实现设备间间隔小于20厘米的光连接。二极管光纤在十次机器清洗循环中保持性能,表明该方法达到在服装上应用的要求。为了证明这种方法的实用性,作者在包含接收器-发射器光纤的两个织物之间建立了一个三兆赫兹的双向光通信链路。最后,使用二极管成功进行的心率测量表明它们可以应用在全织物生理状态监测系统中。这种方法为在光纤中实现更复杂的功能提供了一条途径,通过提高热拉伸纺织品光纤中的器件密度和功能,可以展现出光纤“摩尔定律”的前景。相关具体内容以《Diode fibres for fabric-based optical communications》标题,发表在最新一期的《Nature》杂志上。

图4 发光和光检测织物的应用。a,双向通信系统概念的插图。服装由包含发光(浅蓝色虚线和红色圆圈)和光电检测(浅蓝色虚线和黑色方块)光纤的织物组成。b,由嵌入织物中的光电检测光纤记录的电流的实验结果。光从嵌入在距离光检测织物1米的另一种织物中的LED光纤发出。发光光纤连接到函数发生器,提供频率为20kHz的方波信号。c,使用间距为5mm的发光和探测光纤的光电容积脉搏波脉冲测量装置的示意图。将手指放在两根纤维上可以记录反射光,这对靠近皮肤的血管中的血液循环很敏感。d,由光探测光纤测量的电流(黑色曲线)与商用脉冲传感器(红色曲线)的输出相比的实验结果。记录强度的周期性变化对应于脉搏的频率。

来源: Nature

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