硅光子温度传感器:从光子集成芯片到全封装微型探头
发布时间:2023-12-16 05:00:04 阅读数: 197
与电子技术类似,光子电路也可以微型化到芯片上,形成光子集成电路(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技术,将光引入光子集成电路,并将光释放出光子集成电路。例如,光通信需要与光纤连接,然后由光纤长距离传输光脉冲。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,需要集成电路和外部元件之间仔细对准。光学元件也非常容易损坏,因此,要想获得可靠的器件,对 PIC 进行适当的封装至关重要。
根特大学和 imec 的 Van Steenberge 教授和 Jeroen Missinne 教授组成的研究团队正在开发解决方案,以克服下一代电信系统、传感器和生物医学设备中与 PIC 有关的封装和集成难题。
他们的工作之一是利用微透镜,更方便地将PICs的光通道与外部光纤或其他元件连接起来。他们已经展示了可以在制造过程中集成到PIC本身的微透镜,或在封装过程中添加的外部微透镜。后者是最近发表在《Journal of Optical Microsystems》上的一篇论文。
利用一个直径为 300μm 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 mm)所需的步骤。此次演示中开发的光学传感器类型是布拉格光栅温度传感器,其测量温度最高可达 180°C。
图1:封装后的微型光学温度传感器探头(右图)和示意图,其中示意图的剖面图说明了传感器探头的构造(左图)。资料来源:Jeroen Missinne等人,《Silicon photonic temperature sensor: from photonic integrated chip to fully packaged miniature probe》,《Journal of Optical Microsystems》(2023)。
图2: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。资料来源:Jeroen Missinne等人,《Silicon photonic temperature sensor: from photonic integrated chip to fully packaged miniature probe》,《Journal of Optical Microsystems》(2023)。
图3:(a) 已实施装配站的示意图和 (b) 照片。资料来源:Jeroen Missinne等人,《Silicon photonic temperature sensor: from photonic integrated chip to fully packaged miniature probe》,《Journal of Optical Microsystems》(2023)。
图4:在 10°C 至 180°C 的热循环过程中,在不同温度下记录的封装传感器反射光谱。资料来源:Jeroen Missinne等人,《Silicon photonic temperature sensor: from photonic integrated chip to fully packaged miniature probe》,《Journal of Optical Microsystems》(2023)。
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)共同研制的。在该项目中,多个欧洲合作伙伴致力于将光学传感器集成到复合材料部件(如飞机上使用的部件)的制造流程中,最终实现流程优化、节能和成本节约。
参考论文:《Silicon photonic temperature sensor: from photonic integrated chip to fully packaged miniature probe》,《Journal of Optical Microsystems》(2023)