用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导制造技术

提供了一种装置，包括具有光波导(20)的声学传感器(50)。光波导(20)包括具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯(202)和连接至波导芯(202)并且包括光学透明的聚合物的外包层(204)，该外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数。波导芯折射率大于外包层折射率，并且外包层光弹性系数大于波导芯光弹性系数。还描述了其他应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导相关申请的交叉引用本申请要求2018年8月20提交的Rozental等人的美国临时专利申请号62/720,050，名称为“用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导”的优先权的权益，其通过引用并入本文。专利
本专利技术涉及声学感测领域，并且更具体涉及超声检测。
技术介绍
基于超声波的技术在日常生活中非常丰富。这些技术能够对产品进行无损测量，并通过超声检查提供医疗信息。超声波的检测通常由压电换能器完成，压电换能器是响应压力瞬变而产生电压的机电设备。尽管压电换能器已成为医疗超声检查的使能技术，但它们表现出固有的局限性，阻碍了新应用的发展。压电换能器既不透明，又容易受到电磁干扰。另外，压电换能器的灵敏度与尺寸成比例，降低分辨率并使其与几种医疗应用不兼容。在诸如需要微型化和高灵敏度的血管内光声成像等应用中，和/或在需要不受电磁干扰(EMI)影响的磁声学中，压电技术的性能通常不足。干涉式超声检测是压电技术的替代方法，在压电技术中，两个光信号之间的干涉强度(其中之一由检测器发出)由撞击的超声波进行调制。干涉式检测器在很大程度上不受电磁干扰的影响，可在透明基板上产生。然而，光学干涉测定法尚未达到亚帕斯卡的灵敏度，特别是对于诸如光声成像之类的应用，这通常是通过大面积的压电检测器实现的(这也对这些技术施加了分辨率限制)。
技术实现思路
根据本专利技术的一些应用，提供了包括具有光学感测元件的声学传感器的装置。对于一些应用，声学传感器包括超声检测器。由本专利技术的一些应用提供的声学传感器通过允许声学传感器的微型化同时保持传感器的高灵敏度而特别适合微创医疗应用。在该上下文中，在说明书和权利要求中，“灵敏度”意思是声学信号通过声学传感器到光学信号的转换的效率。额外地，由本专利技术的一些应用提供的声学传感器一般不受电磁干扰(EMI)的影响，进一步使得其适合用于医疗应用。对于一些应用，声学传感器的声学感测元件包括光波导。光波导通常包括(a)具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯(如，一个或多个波导芯)，和(b)连接至波导芯的包括光学透明聚合物并且具有外包层折射率和外包层光弹性系数的外包层(over-cladding)。通常，波导芯折射率大于外包层折射率，和外包层光弹性系数大于波导芯光弹性系数。对于一些应用，波导芯包括光学材料，其特征在于高折射率，如至少1.7的折射率。通常，高波导芯折射率有助于声学传感器的微型化，使得声学传感器适合用于各种微创医疗应用，如，血管内超声波成像。然而，根据本专利技术的一些应用，波导芯额外地特征在于相对低的光弹性系数。例如，波导芯包括硅，其具有3.48的高折射率，和-17.13TPa-1和5.51TPa-1的低光弹性系数，这可以限制光波导的灵敏度。因为响应于声波撞击在波导上而在波导中发生较低折射率调制，所以低光弹性系数通常限制波导的灵敏度，这导致波导的检测降低。根据本专利技术的一些应用，将波导芯浸没在形成光波导的外包层的光机(opto-mechanical)材料中。光机材料包括聚合物，其对光波导中引导的光是透明的，并且其光弹性系数大于制造波导芯的材料的光弹性系数。通常，外包层的透明聚合物具有高光弹性系数，其比波导芯光弹性系数大至少四倍。额外地，透明聚合物特征在于其折射率低于波导芯的折射率。进一步额外地，透明聚合物特征在于其杨氏模量在10GPa以下，如在5GPa以下。对于一些应用，外包层的透明聚合物包括苯并环丁烯(BCB)。BCB通常特征在于1.54的相对低的折射率，以及99TPa-1和31TPa-1的高光弹性系数。额外地，BCB具有2.9GPa的杨氏模量。根据本专利技术的一些应用，透明聚合物外包层通过改善撞击在声学传感器上的声学信号到光学信号的转换而提高了光波导的灵敏度，从而改善了设备对声波的检测。因此，既实现了微型化(通过高折射率波导芯促进)，又增强了声学传感器的灵敏度(通过透明聚合物外包层促进)。另外地或可选地，专利技术人在本文中其他地方显示了，使用透明聚合物外包层降低了声学传感器对表面声波(SAW)和声学混响的敏感性。更具体地，本专利技术人显示了，在对声学混响和SAW的灵敏度和敏感性方面，BCB外包层改善了用于超声检测的硅光子波导的能力。对于一些应用，光源(如，激光)被耦合至光波导并且来自激光的参比光学信号干涉由波导发射的信号。当声波(例如超声波)入射到光波导上时，它会修改波导的几何形状和光学性质，使得信号在其输出端获得相位调制，导致参比光学信号的干涉的不同强度。该调制指示撞击在波导上的声波，使得可以检测到声波形式。对于一些应用，光波导进一步包括和/或耦合至(如，CROW)，一个或多个共振器，该共振器配置为以一个或多个波长展现光学共振。对于在波导中以共振波长传播的光，获得其中制造和/或连接共振器的波导的部分的定域化(localization)。因此，使用共振器促进声学传感器的微型化并增强灵敏度。对于一些应用，波导芯的皱褶可以用于暴露至光机材料(即，透明聚合物)的引导模式(波导TE(横向电)和TM(横向磁)的横向模式)。因此，根据本专利技术的一些应用，提供了一种装置，其包括：声学传感器，该声学传感器包括光波导，该光波导包括：具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯；连接至波导芯并包括光学透明的聚合物的外包层，该外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数；波导芯折射率大于外包层折射率，和外包层光弹性系数大于波导芯光弹性系数。对于一些应用，外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。对于一些应用，波导芯折射率是至少1.7。对于一些应用，波导芯的光弹性系数的最大量值是20TPa-1。对于一些应用，外包层折射率小于1.7。对于一些应用，外包层光弹性系数是至少80TPa-1。对于一些应用，外包层光弹性系数比波导芯光弹性系数大至少四倍。对于一些应用，外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在10(E)GPa以下。对于一些应用，外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在5(E)GPa以下。对于一些应用，波导芯包括硅。对于一些应用，装置进一步包括光源，其布置使得由光源产生并在光波导处定向的光学信号由于撞击光波导的声波而进行调制。对于一些应用，光源包括配置为产生激光束的激光器。对于一些应用，由光源产生的信号以相位进行调制。对于一些应用，由光源产生的信号以振幅进行调制。对于一些应用，光波导包括一个或多个光学共振器。对于一些应用，光波导是共振器。对于一些应用，一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。对于一些应用，光波导的最大长度为100微米。对于一些应用，光波导进一步包括下包覆层(under-claddinglayer)。额外地，根据本专利技术的一些应用，提供了一种系统，其包括光波导，该光波导包括具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯；连接至波导芯并包括光学透明的聚合物的外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：/n声学传感器，其包括光波导，所述光波导包括：/n波导芯，其具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数；/n外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物，所述外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数；/n其中所述波导芯折射率大于所述外包层折射率，并且所述外包层光弹性系数大于所述波导芯光弹性系数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180820 US 62/720,0501.一种装置，其包括：
声学传感器，其包括光波导，所述光波导包括：
波导芯，其具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数；
外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物，所述外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数；
其中所述波导芯折射率大于所述外包层折射率，并且所述外包层光弹性系数大于所述波导芯光弹性系数。


2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。


3.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导芯折射率是至少1.7。


4.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导芯的光弹性系数的最大量值是20TPa-1。


5.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层折射率小于1.7。


6.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层光弹性系数是至少80TPa-1。


7.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层光弹性系数比所述波导芯光弹性系数大至少四倍。


8.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在10(E)GPa以下。


9.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在5(E)GPa以下。


10.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导芯包括硅。


11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其进一步包括光源，所述光源布置为使得由所述光源产生并在所述光波导处定向的光学信号由于撞击所述光波导的声波而进行调制。


12.根据权利要求11所述的装置，其中所述光源包括配置为产生激光束的激光器。


13.根据权利要求11所述的装置，其中由所述光源产生的信号以相位进行调制。


14.根据权利要求11所述的装置，其中由所述光源产生的信号以振幅进行调制。


15.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述光波导包括一个或多个光学共振器。


16.根据权利要求15所述的装置，其中所述光波导是共振器。


17.根据权利要求15所述的装置，其中所述一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。


18.根据权利要求15所述的装置，其中所述光波导的最大长度为100微米。


19.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其进一步包括下包层。


20.一种系统，其包括：
光波导，所述光波导包括：
波导芯，其具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数；
外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物，所述外包层具有小于所述波导芯折射率的外包层折射率和大于所述波导芯光弹性系数的外包层光弹性系数；
干涉仪，其配置为由激光源产生在所述光波导处定向的激光束，使得激光束传播通过所述光波导，由此通过撞击所述光波导的声波调制所述激光束。


21.根据权利要求20所述的系统，其中所述干涉仪进一步配置为测量声波撞击所述光波导时的调制，以基于测量计算所述光波导的光谱响应的位移，所述位移指示声波的波形。


22.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述光波导包括一个或...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·罗森塔尔，R·R·库马尔，S·特塞斯，A·格林伯格，
申请(专利权)人：泰克年研究发展基金会公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL