纺织物状光电子

透过光进行通讯的服装之想法可能听起来像是在幻想，但这正是美国和瑞士科学家们现在所取得的成就。Michael Rein及其同事在“Nature”杂志上写到，他们如何成功地找到了将基于半导体p-n二极管的发光二极管（LED）、光电检测器及其金属线连接等，集成到光纤中，然后织成纺织品的方法(Nature 560, 214–218; 2018)。发射蓝光、绿光和红光的InGaN和AlGaAsP LED以及GaAs p-i-n光电检测器被集成于光纤数组都可展示如图一所示，为支持可见光光纤通信和感测的纺织技术打开了大门。

图一、含有InGaN蓝色LED之发光光纤的照片。这些组件每隔370±110毫米出现一次，且光纤被平摊在桌子上。

该方法首先透过夹层的聚碳酸酯层板以制造功能性光纤的预制棒。外层板具有沿其整个长度延伸的铣槽，以容纳与光纤中的组件接口的铜线或钨线。在内板中，钻出许多大约100μm的储藏空间以容纳如p-i-n二极管的半导体微型组件之线性数组，金属线透过预制棒的凹槽提供。然后透过将预制棒放入三区加热炉中，以加热拉伸工艺法来制造光纤，其中顶部，中部和底部区域分别被加热到150°C、270°C与110°C。

 所形成的光纤其横截面形状大致为四边形（350μm×350μm）。藉由在光纤的一端剥离聚碳酸酯包层来实现与光纤内装置的电连接。原则上，该制造方法能够让单个预制棒中拉出数千米的功能性光纤，其中在整个光纤中并联了一百多个分立组件。

 将这些功能性光纤结合到织物中为应用带来了许多机会。例如，美国和瑞士科学家们展示了一种基于纺织品的光电容积脉搏波描记系统用于心脏脉搏的量测。

 

图二、具有发光和光电检测功能的纺织物之应用。(a)双向通信系统概念之插图。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）功能光纤之纺织物组成。发光光纤经过调制并传输信息送由另一个在衣服中的光电检测光纤来记录，两者放置在彼此相距1米的距离处。(b)由结合到织物中的光电检测光纤所记录的电流之实验结果。光从嵌入在距离光检测纺织物1米的另一种发光纺织物中的LED光纤发出。发光光纤连接到函数产生器，提供频率为20 kHz的方波信号。并且透过光电检测光纤来记录信号的传输。(c)光电容积脉搏波脉冲测量装置的示意图，其使用发光（带有绿光的虚线）和光电检测（带有黑色方形的虚线）光纤，彼此相距5毫米。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)由光电检测光纤测量的电流（黑色曲线）与商用脉冲感应器（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冲的频率。

首先，我们展示了一种纺织物到纺织物的通信方案，用于在空间中间隔1米的两个纺织物，如图二(a)、(b)所示。图二(b)显示了当LED光纤以20 kHz的频率驱动时，光电检测光纤记录的信号，接近可听频率范围的最大值，证明了通过光纤传输音频信号的能力。此功能可用于许多其它应用，从支持结构的光保真技术到结构加密的当地信息传输和室内定位平台。

 其次，我们在生理测量的背景下证明了这些纤维的能力。将绿色LED光纤嵌入与GaAs光电检测光纤相邻的棉织袜中，如图二(c)所示。藉由在两根光纤上放置食指来实施脉冲测量。光电检测光纤所记录的光强度的变化是由于皮肤上的光反射率变化，此现象被清楚地观察到，如图二(d)所示。

 测量的信号与小血管中的体积变化直接相关，并随着每次的心跳扩张和收缩。功能性光纤承受了纺织品制造技术的压力和应力，甚至机器洗涤。这些结果证明了将生理感应器完全整合到光纤和纺织品中的潜力，而不是作为纺织物的附加物。Rein说：「我们预想这项技术将在纺织和服装领域以及电信和生物与医学科学领域实现新的技术展望」。