CN208921901U - 一种柔性可拉伸光波导感知器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光波导感知器件制备领域，并具体公开了一种柔性可拉伸光波导感知器件，包括柔性基底及分布在柔性基底上的光栅结构，所述光栅结构包括对称分布于柔性基底两端的左光栅和右光栅，所述左光栅和右光栅的结构相同，均包括多个开设在柔性基底上的且平行设置的凹槽。本实用新型通过将光栅结构直接设置于柔性基底上，使得光波导感知器件整体呈柔性，具有较好的拉伸性和弯曲性，具有结构简单、适用性强等优点。

Description

一种柔性可拉伸光波导感知器件

技术领域

本实用新型属于光波导感知器件领域，更具体地，涉及一种柔性可拉伸光波导感知器件。

背景技术

光波导是由光透明介质构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导原理为在不同折射率的介质分界面上，利用电磁波的全反射使光波局限在相对高折射率材料层所组成的波导内传播。光波导感知器件具有耗材小、稳定性高、易于集成并能够大规模生产的特点，使得其在光通信、光电集成等领域得到了广泛应用。

传统光波导器件直接采用SiO₂、Si等硬质材料作为基底层，制备的光波导器件不具有拉伸、弯曲等弹塑性形变的能力，例如CN103023600A公开的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器。在面向智能光学感知系统和柔性光电子器件中，需要器件具有一定的弯曲能力，例如，CN103058129B提出的一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导，CN101379421B提出的一种曲率半径为2mm的360°弯曲高可弯性、耐热性、透明性柔性光波导及光波导模块。

但目前的柔性光波导在拉伸性能方面仍存在着不足，且柔性光波导的应用领域主要集中在光电器件领域，在智能感知领域仍处于初级阶段，缺乏能够对不同外界物理量(压力、应变等)进行检测，并能与复杂曲面基底共形的柔性可拉伸光波导器件。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种柔性可拉伸光波导感知器件，其通过将光栅结构直接设置于柔性基底上，使得光波导感知器件整体呈柔性，具有较好的拉伸性和弯曲性，具有结构简单、适用性强等优点。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种柔性可拉伸光波导感知器件，其包括柔性基底及分布在柔性基底上的光栅结构，所述光栅结构包括对称分布于柔性基底两端的左光栅和右光栅，所述左光栅和右光栅的结构相同，均包括多个开设在柔性基底(1)上的且平行设置的凹槽。

作为进一步优选的，多个凹槽等间距设置，每个凹槽的深度h为50nm-250nm，长度s为200μm-3000μm，宽度m为200nm-400nm。

作为进一步优选的，相邻两凹槽之间为凸台结构，所述凸台结构的尺寸与凹槽尺寸一致，其高度为50nm-250nm，长度为200μm-3000μm，宽度为200nm-400nm。

作为进一步优选的，所述柔性基底(1)的高度H为200μm-1000μm，长度M为0.5mm-15mm，宽度与凹槽的长度一致。

作为进一步优选的，所述左光栅(2)和右光栅(3)的间距为0.5mm-15mm。

作为进一步优选的，所述柔性基底(1)的两端用于作为夹持部，供外界夹持机构夹持。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型将光栅结构设计在柔性基底上，使得光波导感知器件整体为柔性可拉伸，克服了传统光波导模块不具备柔性和可拉伸性的不足，具有高可弯性、拉伸性和光学透明性，能与复杂曲面基底共形，为柔性光波导器件在柔性光电、智能感知器件等领域的应用提供了基础。

2.本实用新型的光波导感知器件具有柔性和可拉伸性，使用时当受到外界物理量(压力、应变等)扰动时，其结构形变会反应在光栅耦合输出光强度变化上，通过输出光强度变化信息，能够实时对外界压力、应变等物理量进行检测。

3.本实用新型对柔性可拉伸光波导感知器件的各项尺寸参数进行了研究与设计，以获得最优的参数，使得凹槽深度为50-250纳米，长度为200-3000微米，宽度为200-400纳米，相邻两凹槽之间为凸台结构，凸台尺寸与凹槽对应相等，柔性基底高度为200-1000微米，长度为0.5-15毫米，宽度为200-3000微米，以此提高光波导的光输入输出耦合效率，从而提高柔性可拉伸光波导器件的灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的柔性可拉伸光波导感知器件的主视图；

图2为本实用新型实施例提供的柔性可拉伸光波导感知器件的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的柔性可拉伸光波导感知器件的光栅结构的SEM扫描电镜视图；

图4为本实用新型实施例提供的柔性可拉伸光波导感知器件的压力响应测试图；

图5为本实用新型实施例提供的柔性可拉伸光波导感知器件的应变响应测试图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-2所示，本实用新型实施例提供的一种柔性可拉伸光波导感知器件，其包括柔性基底1(由柔性材料制成)及分布在柔性基底1上的光栅结构，所述光栅结构包括对称分布于柔性基底1两端的左光栅2和右光栅3，以作为光波的耦合输入和输出模块。该柔性可拉伸光波导感知器件由柔性的基底及直接开设在柔性基底上的光栅结构构成，由此使得柔性可拉伸光波导感知器件整体由柔性材料制成，具有高的可弯曲性和拉伸性。

如图2所示，左光栅2和右光栅3的结构相同，均包括多个开设在柔性基底1上的且平行设置的凹槽，该凹槽可利用刻蚀法在由柔性材料(例如PDMS，聚二甲基硅氧烷)制成的柔性基底上直接刻蚀获得，也可通过先制备光栅模板，然后在光栅模板上旋涂柔性材料(例如PDMS，聚二甲基硅氧烷)，待柔性材料固化后剥离光栅模板，即可获得带光栅结构的柔性基底，即本实用新型的左光栅和右光栅可采用现有的任意方法获得，只需保证光栅结构直接形成在柔性基底上即可，由此使得柔性可拉伸光波导感知器件整体由柔性材料制成，保证具有较好的拉伸性。

由于柔性可拉伸光波导感知器件的各项尺寸参数将决定器件的使用性能，因此，本实用新型对各项尺寸参数进行了研究与设计。具体的，凹槽等间距设置，凹槽的深度h为50-250纳米，长度s为200-3000微米，宽度m为200-400纳米。相邻两凹槽之间为凸台结构，凸台尺寸与凹槽对应相等。由于光栅结构用于对光波进行耦合输入输出，其将直接决定不同波长光波的耦合输入输出效率，因此，通过设计上述尺寸参数的凹槽和凸台，使得光波耦合输入的效率高。由于柔性基底用于引导光波在其间的传输，将其高度H设计为200-1000微米，长度M设计为0.5-15毫米，宽度与凹槽长度s一致，设计为200-3000微米，由此使得在对外界进行感知时，光波导中的光损耗量波动较大，从而提高柔性光波导的检测灵敏度。

为了利于柔性光波导结构的稳定以及对外界形变的检测，柔性基底1的左右两端用于作为夹持部，供外界夹持机构夹持，分别为左夹持部4和右夹持部5，通过外界夹持机构夹持住柔性基底1的左夹持部4和右夹持部5，使得柔性可拉伸光波导感知器件能够对外界环境中的拉伸应变进行感知，便于后续的检测。

为制备不同拉伸应变感知范围的光波导结构，将左光栅2和右光栅3的间距设计为0.5-15毫米，使得对于外界的不同量级应变均能制备相应的柔性光波导器件进行感知。

如图1和2所示，柔性可拉伸光波导感知器件两端成形有光栅结构，以作为光栅耦合区域，其中一端的光栅耦合区域进行光强度的输入，另一端的光栅耦合区域进行光强度的输出，使用时将一束强度恒定的特定频率光波以最佳耦合角度通过左侧光栅耦合进入光波导，耦合的光波将在光波导中间传输，在到达右侧光栅区域时，会耦合输出，利用光电探测器对耦合输出的光强进行测量，在外界变动通过左右两侧的夹持结构引起光波导进行拉伸时，在光波导中传输的光波由于结构变化将会出现损耗，通过耦合输出端光电探测器捕捉到的光强变化量来计算光波传输损失量，以此来计算外界拉伸应变量。

图3为柔性可拉伸光波导感知器件的光栅结构的SEM扫描电镜图，如图所示，光栅为周期性结构，其可通过在柔性基底上直接开设凹槽获得，形成凹槽与凸台相间分布的结构。

图4为柔性可拉伸光波导感知器件的压力响应测试图，从图中可以看出压力随柔性可拉伸光波导光栅耦合输出光强度的变化，在0-23(10^-3N)范围内，存在线性规律性，根据光波输出强度变化与外界压力之间的对应关系，可以利用该柔性光波导结构去测试0-23(10^-3N)范围内的压力，输出光强与外界压力之间的线性关系有利于对外界压力响应值的精确测量。

图5为柔性可拉伸光波导感知器件的应变响应测试图，从图中可以看出应变随柔性可拉伸光波导光栅耦合输出光强度的变化，在0-12.5％的应变范围内，存在线性规律性，根据光波输出强度变化与外界拉伸应变之间的对应关系，可以利用该柔性光波导结构去测试0-12.5％范围内的压力，输出光强与外界压力之间的线性关系有利于对外界拉伸应变值的精确测量。

本实用新型基于纳米复制成型的柔性可拉伸光波导感知器件，利用具有可拉伸性的弹塑性光学透明性材料作为光波导结构及光栅耦合输出/输出接口，能够充分发挥柔性光波导的可拉伸性和弯曲性，可对由外界物理量变动(压力、应变等)引起的光波导输出光功率强度变化进行精确测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性可拉伸光波导感知器件，其特征在于，包括柔性基底(1)及分布在柔性基底(1)上的光栅结构，所述光栅结构包括对称分布于柔性基底(1)两端的左光栅(2)和右光栅(3)，所述左光栅(2)和右光栅(3)的结构相同，均包括多个开设在柔性基底(1)上的且平行设置的凹槽。

2.如权利要求1所述的柔性可拉伸光波导感知器件，其特征在于，多个凹槽等间距设置，每个凹槽的深度h为50nm-250nm，长度s为200μm-3000μm，宽度m为200nm-400nm。

3.如权利要求1所述的柔性可拉伸光波导感知器件，其特征在于，相邻两凹槽之间为凸台结构，所述凸台结构的尺寸与凹槽尺寸一致，其高度为50nm-250nm，长度为200μm-3000μm，宽度为200nm-400nm。

4.如权利要求1所述的柔性可拉伸光波导感知器件，其特征在于，所述柔性基底(1)的高度H为200μm-1000μm，长度M为0.5mm-15mm，宽度与凹槽的长度一致。

5.如权利要求1所述的柔性可拉伸光波导感知器件，其特征在于，所述左光栅(2)和右光栅(3)的间距为0.5mm-15mm。

6.如权利要求1所述的柔性可拉伸光波导感知器件，其特征在于，所述柔性基底(1)的两端用于作为夹持部，供外界夹持机构夹持。