基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院光子芯片实验室研制了一种基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统，可实现光栅自动耦合、环境控制与感知、数据处理与交互等功能。研究成果以“基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统”为题，发表在《仪器仪表学报》期刊上。

硅基光子芯片传感器具有制作工艺与CMOS技术兼容、体积小、成本低、可与微电子和光电子器件集成等优点，在环境监测、健康诊断和智能制造等领域极具应用前景。伴随着光子芯片技术的快速发展，先进的光电芯片测试系统受到越来越多的研究关注。然而，现有光子芯片测试系统主要针对通信芯片的需求开发，缺少对环境参量（如气体浓度、环境温度等）的控制功能，难以满足传感芯片的研发需求。

在本项工作中，研究团队研制了一种基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统。如图1（a）所示，该系统包含信号输入、光电耦合、信号探测、环境控制、数据处理和交互五个模块。该系统的原理是利用光子芯片与测量腔室中复杂环境的信号耦合作用，通过人机交互界面对系统各模块进行指令和监测，结合数据采集模块对光子芯片的反馈数据进行收集，从而获取所需的环境参数。该系统采用空间映射、图像处理和耦合功率三级耦合判据使光纤和光栅的对准更加快速和准确，从而提高了检测效率。光子芯片传感测试系统器件示意图如图1（b）所示。信号输入模块包含可调谐激光器，其发出的光经过光隔离器和准直器后耦合进单模光纤。信号探测模块采用光电二极管功率计测量输出光纤采集到的芯片输出光功率。通过精确控制气体流速和充气时间并采用密闭气室作为环境控制模块的测量腔室，从而实现气体浓度的控制。通过在芯片双轴位移台上安装热电致冷器并实时调节温度，从而实现环境温度的控制。

图1.基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统。（a）功能模块示意图；（b）系统示意图。

进一步利用所研发的光子芯片传感测试系统开展了片上气体浓度传感与温度传感实验。图2（a）展示了不同CO2气体浓度条件下微环谐振腔共振峰的偏移测试。实验结果显示，共振峰的偏移会随着气体浓度的增大而呈上升趋势，偏移效应不存在温度依赖性，也没有明显的平台效应，微环谐振腔对气体传感灵敏度的均值约为2.113 pm/%。根据测量数据，可计算出实验中折射率灵敏度范围在1417 nm/RIU至1707 nm/RIU范围内，平均值约为1500 nm/RIU。图2（b）展示了不同CO2气体浓度下，微环谐振腔共振峰的偏移量随环境温度的变化。随着温度的升高，共振峰偏移量呈现出单调上升趋势，也不存在气体浓度依赖性以及平台效应。拟合结果可知，温度灵敏度均值约为74.891 pm/℃，拟合的线性度R2均大于0.999。值得注意的是，相较图2（a），图2（b）中的数据波动较小，这是由于腔内气体组分难以通过控制气体流速来精确地、线性地控制，而环境温度则能够通过TEC实现较为线性和准确地控制，这也反映了传感系统中环境控制模块的重要性。

图2.光子芯片传感器件测试结果。（a）透射谱共振峰偏移量随气体浓度变化曲线；（b）透射谱共振峰偏移量随环境温度变化曲线。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的硕士生刘星宇，通信作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授。该工作得到了国家自然科学基金（62175179, 62161160335, 61805175）项目和天津市杰出青年基金（23JCJQJC00250）项目的支持。