硅光子溫度傳感器：從光子集成芯片到完整封裝微型探針

與電子元器件類似，光子電路也可以微型化到芯片上，形成所謂的光子集成電路（PIC）。盡管相比電子技術(shù)起步晚得多，但光子集成電路領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。該領(lǐng)域的主要問(wèn)題之一，是將光子集成電路變成一種功能器件。這需要光學(xué)封裝和耦合策略將光引入、引出光子集成電路。

對(duì)于光通信應(yīng)用，需要利用光纖進(jìn)行連接，然后長(zhǎng)距離傳輸光脈沖?；蛘撸庾蛹呻娐愤€可以設(shè)計(jì)成需要外部光進(jìn)行讀出的光學(xué)傳感器。

光子集成電路上的光在被稱為波導(dǎo)的亞微米級(jí)通道中傳播，因此這種光學(xué)耦合非常具有挑戰(zhàn)性，需要對(duì)光子集成電路和外部組件進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)。此外，光學(xué)元件非常脆弱，因而合適的封裝對(duì)于制造可靠的光子器件至關(guān)重要。

緊湊型硅光子溫度傳感器封裝概念及其元件的爆炸圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，荷蘭根特大學(xué)（Ghent University）和比利時(shí)微電子研究中心（imec）的一支聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種解決方案，以克服下一代通信系統(tǒng)、傳感器和生物醫(yī)學(xué)器件應(yīng)用的光子集成電路相關(guān)的封裝和集成挑戰(zhàn)。

研究人員從硅波導(dǎo)中具有布拉格光柵傳感器的光子集成電路裸芯片開(kāi)始，詳細(xì)介紹了獲得完整封裝的微型光子溫度傳感器的過(guò)程。

光子集成電路開(kāi)發(fā)、光學(xué)接口開(kāi)發(fā)以及組裝和封裝

為了最終獲得盡可能小的傳感器，研究人員使用300 μm的球透鏡從背面連接光子集成電路。這確保了頂部表面沒(méi)有任何接口光纖?；谶@種光學(xué)接口概念，研究人員開(kāi)發(fā)了一種解決方案，用于將1 mm x 1 mm傳感器光子集成電路與單模光纖集成，并將其封裝在內(nèi)徑為1.5 mm的金屬保護(hù)管中。利用激光制造的熔融二氧化硅精密支架，確保了球透鏡的準(zhǔn)確位置。結(jié)果表明，由球透鏡接口引起的附加插入損耗非常有限。

（a）（b）組裝好的傳感器照片，包括保護(hù)管和接口光纖；（c）俯視圖，傳感器周圍的填充區(qū)域。

研究人員利用直徑為300 μm的小球透鏡，在光子集成電路上的傳感器和連接標(biāo)準(zhǔn)讀出設(shè)備的光纖之間建立了有效連接。

研究人員通過(guò)實(shí)現(xiàn)工作在1550 nm左右的封裝相移硅布拉格光柵溫度傳感器證明了該概念，該傳感器可以使用商用探詢器在反射中讀出。該光子學(xué)溫度傳感器的靈敏度為73 pm/℃，展示了最高可達(dá)180℃的溫度傳感功能。

審核編輯：劉清