“硅光子温度传感器”！用小型光子芯片制造功能强大的温度传感器

光子盒研究院

随着人们对硅光子技术的兴趣与日俱增，集成和封装技术对于将光子集成电路（PIC）转化为功能性光子系统至关重要。
与电子技术类似，光子电路也可以微型化到芯片上，形成PIC。虽然与电子技术相比，光子集成电路的发展较晚，但这一领域正在迅速发展。
然而，主要问题之一是如何将这种光子集成电路转化为功能性设备。这就需要采用光学封装和耦合策略，将光线引入PIC并将光线带出PIC。例如，光通信需要与光纤连接，然后由光纤将光脉冲长距离传输。另外，专用集成电路还可以容纳一个光学传感器，该传感器需要外部光线来读取数据。由于光在集成电路上的传播通道非常微小，尺寸在亚微米级（称为波导），因此这种光学耦合非常具有挑战性，需要集成电路与外部元件之间仔细对准。此外，光学元件还非常容易损坏，因此要想获得可靠的设备，对集成电路进行适当的封装至关重要。
现在，根特大学和imec的Van Steenberge教授和Jeroen Missinne教授的研究团队正在为下一代电信系统、传感器和生物医学设备开发解决方案，以克服与PIC相关的封装和集成难题。他们的工作之一是利用非常小的透镜（微透镜），更方便地将集成电路上的光通道与外部光纤或其他元件连接起来。
相关研究也已经取得了一定成果，他们展示了可以在制造过程中集成到集成电路上的微透镜（microlense），或在封装过程中添加的外部微透镜——后者是最近发表在《光学微系统杂志》（Journal of Optical Microsystems）上的一篇论文主题。

封装后的微型光学温度传感器探头照片（右图）和示意图（左图），图中的剖视图显示了传感器探头的组装过程
利用直径为300微米的小球透镜在集成电路上的传感器和光纤之间建立了有效的连接，光纤可连接到标准读出设备。此外，论文还介绍了将PIC转变为功能齐全、完全封装的微型传感器探头（直径小于2毫米）所需的导入步骤。
此次演示开发的光学传感器类型是布拉格光栅温度传感器，测量温度最高可达180°C。其工作波长约为1550nm，可以使用商用询问器通过反射读出，温度灵敏度为73pm°C。

对开发过程中不同步骤的高度概括：PIC开发、光学接口开发以及组装和封装

(a) 传感器布局：俯视图和横截面图，显示层厚度和材料折射率 (RI)；(b) 相移布拉格光栅在TE硅波导中的模拟反射光谱

三种不同间距的相移布拉格光栅在TE硅波导中的典型测量反射光谱

(a) 在同一晶圆的不同位置上制作的几个集成电路的测量布拉格波长（以纳米为单位）与设计的光栅间距的函数关系。(b) 328 nm间距相移布拉格光栅的测量布拉格波长（以nm为单位）与晶片上位置的函数关系

从PIC背面接入光栅耦合器的光学接口示意图

(a) 测试配置：安装在套圈上的球透镜接口光纤对准TE光栅耦合器的上方。(b) 使用裸光纤和球透镜接口记录的反射光谱对比。红色曲线：使用裸光纤 + 指数匹配液（耦合角10.6度）进行器件侧耦合。蓝色曲线：使用球透镜接口的器件侧耦合（耦合角15度）

(a) 已实施装配站的示意图和 (b) 照片

(a)、(b) 安装在光纤套圈顶部的球透镜支架侧视图。(c) 使用红光评估发射光束角度

(a) 在支架顶部组装专用集成电路（侧视图）。(b) 将PIC粘合到支架后的装配视图。(c) 基于金属管的传感器封装点胶

(a)、(b)组装好的传感器照片，包括保护管和接口光纤；(c)从顶部观察传感器周围的填充区域

在10°C至180°C的热循环过程中，在不同温度下记录的包装传感器反射光谱

该传感器是在欧洲SEER项目框架内，与Argotech公司（捷克共和国）和雅典国立技术大学光子通信研究实验室（希腊）共同开发的。在该项目中，几个欧洲合作伙伴的重点是将光学传感器集成到制造复合材料部件（如飞机上使用的部件）的生产流程中，最终实现工艺优化、节能和成本节约。
参考链接：[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1011340[2]https://phys.org/news/2023-12-small-photonic-chip-functional-temperature.html

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