近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院光子芯片實驗室研制了一種基于光柵耦合技術的光子芯片傳感測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)光柵自動耦合、環(huán)境控制與感知、數(shù)據(jù)處理與交互等功能。研究成果以“基于光柵耦合技術的光子芯片傳感測試系統(tǒng)”為題，發(fā)表在《儀器儀表學報》期刊上。

硅基光子芯片傳感器具有制作工藝與CMOS技術兼容、體積小、成本低、可與微電子和光電子器件集成等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、健康診斷和智能制造等領域極具應用前景。伴隨著光子芯片技術的快速發(fā)展，先進的光電芯片測試系統(tǒng)受到越來越多的研究關注。然而，現(xiàn)有光子芯片測試系統(tǒng)主要針對通信芯片的需求開發(fā)，缺少對環(huán)境參量（如氣體濃度、環(huán)境溫度等）的控制功能，難以滿足傳感芯片的研發(fā)需求。

在本項工作中，研究團隊研制了一種基于光柵耦合技術的光子芯片傳感測試系統(tǒng)。如圖1（a）所示，該系統(tǒng)包含信號輸入、光電耦合、信號探測、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)處理和交互五個模塊。該系統(tǒng)的原理是利用光子芯片與測量腔室中復雜環(huán)境的信號耦合作用，通過人機交互界面對系統(tǒng)各模塊進行指令和監(jiān)測，結合數(shù)據(jù)采集模塊對光子芯片的反饋數(shù)據(jù)進行收集，從而獲取所需的環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)采用空間映射、圖像處理和耦合功率三級耦合判據(jù)使光纖和光柵的對準更加快速和準確，從而提高了檢測效率。光子芯片傳感測試系統(tǒng)器件示意圖如圖1（b）所示。信號輸入模塊包含可調諧激光器，其發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器和準直器后耦合進單模光纖。信號探測模塊采用光電二極管功率計測量輸出光纖采集到的芯片輸出光功率。通過精確控制氣體流速和充氣時間并采用密閉氣室作為環(huán)境控制模塊的測量腔室，從而實現(xiàn)氣體濃度的控制。通過在芯片雙軸位移臺上安裝熱電致冷器并實時調節(jié)溫度，從而實現(xiàn)環(huán)境溫度的控制。

圖1.基于光柵耦合技術的光子芯片傳感測試系統(tǒng)。（a）功能模塊示意圖；（b）系統(tǒng)示意圖。

進一步利用所研發(fā)的光子芯片傳感測試系統(tǒng)開展了片上氣體濃度傳感與溫度傳感實驗。圖2（a）展示了不同CO2氣體濃度條件下微環(huán)諧振腔共振峰的偏移測試。實驗結果顯示，共振峰的偏移會隨著氣體濃度的增大而呈上升趨勢，偏移效應不存在溫度依賴性，也沒有明顯的平臺效應，微環(huán)諧振腔對氣體傳感靈敏度的均值約為2.113 pm/%。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可計算出實驗中折射率靈敏度范圍在1417 nm/RIU至1707 nm/RIU范圍內(nèi)，平均值約為1500 nm/RIU。圖2（b）展示了不同CO2氣體濃度下，微環(huán)諧振腔共振峰的偏移量隨環(huán)境溫度的變化。隨著溫度的升高，共振峰偏移量呈現(xiàn)出單調上升趨勢，也不存在氣體濃度依賴性以及平臺效應。擬合結果可知，溫度靈敏度均值約為74.891 pm/℃，擬合的線性度R2均大于0.999。值得注意的是，相較圖2（a），圖2（b）中的數(shù)據(jù)波動較小，這是由于腔內(nèi)氣體組分難以通過控制氣體流速來精確地、線性地控制，而環(huán)境溫度則能夠通過TEC實現(xiàn)較為線性和準確地控制，這也反映了傳感系統(tǒng)中環(huán)境控制模塊的重要性。

圖2.光子芯片傳感器件測試結果。（a）透射譜共振峰偏移量隨氣體濃度變化曲線；（b）透射譜共振峰偏移量隨環(huán)境溫度變化曲線。

本論文第一作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的碩士生劉星宇，通信作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授。該工作得到了國家自然科學基金（62175179, 62161160335, 61805175）項目和天津市杰出青年基金（23JCJQJC00250）項目的支持。