硅光子温度传感器：从光子集成芯片到全封装微型探头

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）