硅光子温度传感器：从光子集成芯片到完整封装微型探针

原创 MEMS 2023-12-24 00:02

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与电子元器件类似，光子电路也可以微型化到芯片上，形成所谓的光子集成电路（PIC）。尽管相比电子技术起步晚得多，但光子集成电路领域正在迅速发展。该领域的主要问题之一，是将光子集成电路变成一种功能器件。这需要光学封装和耦合策略将光引入、引出光子集成电路。

对于光通信应用，需要利用光纤进行连接，然后长距离传输光脉冲。或者，光子集成电路还可以设计成需要外部光进行读出的光学传感器。

光子集成电路上的光在被称为波导的亚微米级通道中传播，因此这种光学耦合非常具有挑战性，需要对光子集成电路和外部组件进行精确对准。此外，光学元件非常脆弱，因而合适的封装对于制造可靠的光子器件至关重要。

紧凑型硅光子温度传感器封装概念及其元件的爆炸图

据麦姆斯咨询报道，荷兰根特大学（Ghent University）和比利时微电子研究中心（imec）的一支联合研究团队正在开发一种解决方案，以克服下一代通信系统、传感器和生物医学器件应用的光子集成电路相关的封装和集成挑战。

研究人员从硅波导中具有布拉格光栅传感器的光子集成电路裸芯片开始，详细介绍了获得完整封装的微型光子温度传感器的过程。

光子集成电路开发、光学接口开发以及组装和封装

为了最终获得尽可能小的传感器，研究人员使用300 μm的球透镜从背面连接光子集成电路。这确保了顶部表面没有任何接口光纤。基于这种光学接口概念，研究人员开发了一种解决方案，用于将1 mm x 1 mm传感器光子集成电路与单模光纤集成，并将其封装在内径为1.5 mm的金属保护管中。利用激光制造的熔融二氧化硅精密支架，确保了球透镜的准确位置。结果表明，由球透镜接口引起的附加插入损耗非常有限。

（a）（b）组装好的传感器照片，包括保护管和接口光纤；（c）俯视图，传感器周围的填充区域。