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硅光子溫度傳感器:從光子集成芯片到完整封裝微型探針
來源:SPIE 發(fā)表于 2023/12/25

荷蘭根特大學(xué)和比利時(shí)微電子研究機(jī)構(gòu)(imec)的一支聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)正在開發(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)。


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。


對于光通信應(yīng)用,需要利用光纖進(jìn)行連接,然后長距離傳輸光脈沖;蛘,光子集成電路還可以設(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,需要對光子集成電路和外部組件進(jìn)行準(zhǔn)確對準(zhǔn)。此外,光學(xué)元件非常脆弱,因而合適的封裝對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)微電子研究機(jī)構(gòu)(imec)的一支聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)正在開發(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程。

光子集成電路開發(fā)、光學(xué)接口開發(fā)以及組裝和封裝


為了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有任何接口光纖。基于這種光學(xué)接口概念,研究人員開發(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。


(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/℃,展示了可達(dá)180℃的溫度傳感功能。


論文鏈接:https://doi.org/10.1117/1.JOM.4.1.011005


延伸閱讀:


《半導(dǎo)體光子集成電路(PIC)技術(shù)及市場-2022版》


《量子傳感器技術(shù)及市場-2023版》


《汽車艙內(nèi)傳感技術(shù)及市場-2023版》 


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