柔性植入式神经光电极的光学器件及其设计、制备方法技术

本发明专利技术公开了柔性植入式神经光电极的光学器件，其设置于柔性聚合物衬底上，包括：输入光栅、波导和输出光栅，输入光栅为平行光栅，用于耦合入射光，波导的输入端与输入光栅耦合连接，波导的输出端与输出光栅耦合连接，输出光栅为聚焦光栅，用于将光耦合、聚焦照射在记录电极上方，提供单细胞分辨率的光刺激。本发明专利技术还公开了上述光学器件的设计和制备方法。本发明专利技术提供的柔性植入式神经光电极的光学器件，通过对波导和光栅的设计刻提供单细胞分辨率的光刺激和原位记录；器件尺寸小能减少植入损伤，且低损耗、高耦合、强聚焦；其高集成度利于实现多通道、高密度的神经刺激和记录；采用柔性聚合物衬底能减少神经瘢痕的形成，实现长期在体稳定工作。

【技术实现步骤摘要】
柔性植入式神经光电极的光学器件及其设计、制备方法
本专利技术涉及神经科学领域，尤其涉及柔性植入式神经光电极的光学器件及其设计、制备方法。
技术介绍
光电极是光遗传工具应用的重要组成部分，其功能是把光导入脑内调控神经元活动，同时记录神经元电信号在光调控下变化情况的一种植入式神经接口器件。随着光遗传技术神经科学研究中应用的深入，以及其在疾病治疗方面的探索，与光遗传技术相配合的光电极从材料选择、器件结构、给光方式和集成工艺等方面都呈现出百花齐放的发展态势。其中，植入式神经光电极的给光方式主要有两种，一是通过在记录电极装置附近设置发光二极管(LightEmittingDiode，LED)或激光二极管(LaserDiode，LD)作为光源提供光刺激，另一种是通过光波导将光纤中的光传导至记录电极附近并射出来提供光刺激。一方面，LED或LD工作容易发热造成神经损伤，需要额外考虑产热评估和控制，此外制备时还需要考虑器件的防水性，其生物相容性和器件可靠性不如波导；另一方面，波导具有更小的尺寸，在植入过程中减少损伤，同时还能提高器件的集成度，提高记录通道数和密度，此外在波导前端使用光栅进行光的耦合输出，通过对光栅的设计可以方便地控制输出光的轮廓。在植入式神经光电极的波导的材料选择上，也主要有两种，一种是基于SU-8等聚合物材料实现的光波导，但其波导剖面的长宽尺寸一般达到10-20μm，导致植入体尺寸较大，增大植入损伤，器件集成度低也不利于实现高密度、多通道的神经细胞刺激和信号记录；另一种基于氮化硅材料实现的光波导，其衬底采用硬质材料如硅衬底，器件植入后硬质衬底与脑组织的杨氏模量不匹配，这导致器件在体过程中植入体与脑组织的相对运动会导致很大的剪切力等应力，在植入体周围形成大量神经瘢痕，难以实现长期在体稳定工作。基于微机电系统(MicroElectro-MechanicalSystem，MEMS)工艺制备的光波导展示出了集成器件的优点：几十微米的波导尺寸大大减小了光电极植入造成的截面损伤，同时MEMS工艺的灵活性使其更易于与电极器件集成，能做出包含多个光电通道、多色、多位点的光电极器件。它用光刻定义出电学和光学器件的尺寸，可以实现刺激位点和记录电极之间相对位置精准的控制。因此，对比上述给光方式、材料选择和加工工艺上的优劣，有必要设计一种新的包含波导和光栅的光学器件结构，并用于柔性植入式神经光电极中，从而使其尺寸更小、集成度更高、给光更精准高效。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是降低植入式神经光电极中光学器件的尺寸，提高其集成度，并能提供精准高效的光刺激。为解决上述技术问题，本专利技术公开了柔性植入式神经光电极的光学器件及其设计、制备方法。具体技术方案如下所述：第一方面，本专利技术公开了一种柔性植入式神经光电极的光学器件，所述光学器件设置于柔性植入式神经光电极的柔性聚合物衬底上，所述光学器件包括：输入光栅、波导和输出光栅，所述输入光栅为平行光栅结构，用于耦合预设波长和入射角度的入射光，所述波导的输入端与所述输入光栅耦合连接，所述波导的输出端与所述输出光栅耦合连接，所述输出光栅为聚焦光栅结构，用于将光耦合、聚焦照射在柔性植入式神经光电极的记录电极上方，提供单细胞分辨率的光刺激。优选地，所述光学器件还包括：锥形波导，所述锥形波导的输入端与所述输入光栅耦合连接，所述锥形波导的输出端与所述波导光学连接，以实现所述波导的输入端与所述输入光栅的耦合连接；所述锥形波导的输入端宽度大于输出端宽度，用于转换光的传输模式；所述波导为矩形波导，所述波导中光的传输模式为单模传输。优选地，所述输入光栅的光栅周期设置为能够对预设入射波长和预设入射角度的入射光进行耦合的最大光栅周期，所述输入光栅的刻蚀深度和占空比的设置满足在所述预设入射波长处光的耦合效率条件。优选地，所述输出光栅选用椭圆形的聚焦光栅结构，所述输出光栅的光栅周期可变，可变光栅周期的设置满足出射光的光强分布焦点与预设的光刺激点及电极记录点匹配，所述输出光栅的刻蚀深度和占空比的设置满足在预设波长处光的耦合效率条件和聚焦强度条件。优选地，所述输入光栅、所述锥形波导、所述波导和所述输出光栅的材料均采用氮化硅，所述柔性聚合物衬底的材料采用SU-8光刻胶。第二方面，本专利技术公开了柔性植入式神经光电极的光学器件的设计方法，所述光学器件设置于柔性植入式神经光电极的柔性聚合物衬底上，所述方法包括：在波导的两侧分别设置模式光源和场监视器，基于时域有限差分法进行仿真并确定所述波导的尺寸参数，完成所述波导的设计；在输入光栅的一侧设置模式光源，在所述波导的一侧设置场监视器，基于时域有限差分法进行仿真，并优化所述输入光栅的结构参数，完成所述输入光栅的设计；在所述波导的一侧设置模式光源，在光刺激点所在的三个平面均设置场监视器，基于时域有限差分法进行仿真，并优化输出光栅的结构参数，完成所述输出光栅的设计。优选地，所述波导的设计包括：根据选用的材料和工艺参数进行初始的结构设置和参数设置，所述参数设置包括柔性聚合物衬底折射率、波导折射率、波导尺寸、波导表面粗糙度和/或光源波长；在所述波导的输入端设置模式光源以分析不同光传输模式下的波导有效折射率；在所述波导的输出端设置场监视器以分析不同尺寸波导的传输损耗；基于时域有限差分法进行仿真，并得到第一仿真分析结果；根据所述第一仿真分析结果确定满足有效折射条件和传输损耗条件的所述波导的尺寸参数，完成所述波导的设计。优选地，所述输入光栅的设计包括：根据选用的材料和工艺参数进行初始的结构设置和参数设置，所述参数设置包括柔性聚合物衬底折射率、波导折射率、波导尺寸、波导表面粗糙度、入射光波长和/或入射角度；在所述输入光栅的斜上方设置模式光源，在所述波导的输出端设置场监视器以分析所述输入光栅的耦合效率；通过第一相位匹配条件得到所述输入光栅的光栅周期，并基于时域有限差分法进行初步仿真，得到第二仿真分析结果；根据所述第二仿真分析结果对所述输入光栅的光栅周期进行优化，满足所述入射光波长和所述入射角度的耦合要求，以及根据所述第二仿真分析结果对所述输入光栅的刻蚀深度和占空比进行优化，满足在所述入射光波长处的耦合效率条件，完成所述输入光栅的设计。优选地，所述输出光栅的设计包括：根据选用的材料和工艺参数进行初始的结构设置和参数设置，所述参数设置包括柔性聚合物衬底折射率、波导折射率、波导尺寸、波导表面粗糙度、入射光波长和/或光刺激点坐标；在所述波导的输入端设置模式光源，在所述光刺激点坐标所在的三个平面上分别设置场监视器以分析输出光强分布；通过第二相位匹配条件得到所述输出光栅的光栅凹槽线方程，并基于时域有限差分法进行初步仿真，得到第三仿真分析结果；根据所述第三仿真分析结果确定输出光强分布的焦点及其坐标；根据所述焦点及其坐标对所述输出光栅的光栅周期进行优化，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.柔性植入式神经光电极的光学器件，其特征在于，所述光学器件(1)设置于柔性植入式神经光电极的柔性聚合物衬底(6)上，所述光学器件(1)包括：/n输入光栅(2)、波导(4)和输出光栅(5)，/n所述输入光栅(2)为平行光栅结构，用于耦合预设波长和入射角度的入射光(9)，/n所述波导(4)的输入端与所述输入光栅(2)耦合连接，所述波导(4)的输出端与所述输出光栅(5)耦合连接，/n所述输出光栅(5)为聚焦光栅结构，用于将光耦合、聚焦照射在柔性植入式神经光电极的记录电极上方，提供单细胞分辨率的光刺激。/n

【技术特征摘要】
1.柔性植入式神经光电极的光学器件，其特征在于，所述光学器件(1)设置于柔性植入式神经光电极的柔性聚合物衬底(6)上，所述光学器件(1)包括：
输入光栅(2)、波导(4)和输出光栅(5)，
所述输入光栅(2)为平行光栅结构，用于耦合预设波长和入射角度的入射光(9)，
所述波导(4)的输入端与所述输入光栅(2)耦合连接，所述波导(4)的输出端与所述输出光栅(5)耦合连接，
所述输出光栅(5)为聚焦光栅结构，用于将光耦合、聚焦照射在柔性植入式神经光电极的记录电极上方，提供单细胞分辨率的光刺激。


2.根据权利要求1所述的柔性植入式神经光电极的光学器件，其特征在于，所述光学器件(1)还包括：
锥形波导(3)，所述锥形波导(3)的输入端与所述输入光栅(2)耦合连接，所述锥形波导(3)的输出端与所述波导(4)光学连接，以实现所述波导(4)的输入端与所述输入光栅(2)的耦合连接；
所述锥形波导(3)的输入端宽度大于输出端宽度，用于转换光的传输模式；
所述波导(4)为矩形波导，所述波导(4)中光的传输模式为单模传输。


3.根据权利要求1所述的柔性植入式神经光电极的光学器件，其特征在于，所述输入光栅(2)的光栅周期设置为能够对预设入射波长和预设入射角度的入射光(9)进行耦合的最大光栅周期，所述输入光栅(2)的刻蚀深度和占空比的设置满足在所述预设入射波长处光的耦合效率条件。


4.根据权利要求1所述的柔性植入式神经光电极的光学器件，其特征在于，所述输出光栅(5)选用椭圆形的聚焦光栅结构，所述输出光栅(5)的光栅周期可变，可变光栅周期的设置满足出射光的光强分布焦点与预设的光刺激点及电极记录点匹配，所述输出光栅(5)的刻蚀深度和占空比的设置满足在预设波长处光的耦合效率条件和聚焦强度条件。


5.根据权利要求2所述的柔性神经光电极的光学器件，其特征在于，所述输入光栅(2)、所述锥形波导(3)、所述波导(4)和所述输出光栅(5)的材料均采用氮化硅，所述柔性聚合物衬底(6)的材料采用SU-8光刻胶。


6.柔性植入式神经光电极的光学器件的设计方法，其特征在于，所述光学器件(1)设置于柔性植入式神经光电极的柔性聚合物衬底(6)上，所述方法包括：
在波导(4)的两侧分别设置模式光源(7)和场监视器(8)，基于时域有限差分法进行仿真并确定所述波导(4)的尺寸参数，完成所述波导(4)的设计；
在输入光栅(2)的一侧设置模式光源(7)，在所述波导(4)的一侧设置场监视器(8)，基于时域有限差分法进行仿真，并优化所述输入光栅(2)的结构参数，完成所述输入光栅(2)的设计；
在所述波导(4)的一侧设置模式光源(7)，在光刺激点(10)所在的三个平面均设置场监视器(8)，基于时域有限差分法进行仿真，并优化输出光栅(5)的结构参数，完成所述输出光栅(5)的设计。


7.根据权利要求6所述的柔性植入式神经光电极的光学器件的设计方法，其特征在于，所述波导(4)的设计包括：
根据选用的材料和工艺参数进行初始的结构设置和参数设置，所述参数设置包括柔性聚合物衬底折射率、波导折射率、波导尺寸、波导表面粗糙度和/或光源波长；
在所述波导(4)的输入端设置模式光源(7)以分析不同光传输模式下的波导有效折射率；在所述波导(4)的输出端设置场监视器(8)以分析不同尺寸波导的传输损耗；
基于时域有限差分法进行仿真，并得到第一仿真分析结果；
根据所述第一仿真分析结果确定满足有效折射条件和传输损耗条件的所述波导(4)的尺寸参数，完成所述波导(4)的设计。


8.根据权利要求7所述的柔性植入式神经光电极的光学器件的设计方法，其特征在于，所述输入光栅(2)的设计包括：
根据选用的材料和工艺参数进行初始的结构设置和参...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶虎，顾驰，周志涛，魏晓玲，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31