近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院光子芯片實(shí)驗(yàn)室研制了一種基于光柵耦合技術(shù)的光子芯片傳感測試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)光柵自動(dòng)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(shù)的光子芯片傳感測試系統(tǒng)”為題，發(fā)表在《儀器儀表學(xué)報(bào)》期刊上。

硅基光子芯片傳感器具有制作工藝與CMOS技術(shù)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(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、健康診斷和智能制造等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。伴隨著光子芯片技術(shù)的快速發(fā)展，先進(jìn)的光電芯片測試系統(tǒng)受到越來越多的研究關(guān)注。然而，現(xiàn)有光子芯片測試系統(tǒng)主要針對(duì)通信芯片的需求開發(fā)，缺少對(duì)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(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)研制了一種基于光柵耦合技術(shù)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(hào)輸入、光電耦合、信號(hào)探測、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)處理和交互五個(gè)模塊。該系統(tǒng)的原理是利用光子芯片與測量腔室中復(fù)雜環(huán)境的信號(hào)耦合作用，通過人機(jī)交互界面對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行指令和監(jiān)測，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)光子芯片的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)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(jí)耦合判據(jù)使光纖和光柵的對(duì)準(zhǔn)更加快速和準(zhǔn)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(hào)輸入模塊包含可調(diào)諧激光器，其發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器和準(zhǔn)直器后耦合進(jìn)單模光纖。信號(hào)探測模塊采用光電二極管功率計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)氣體濃度的控制。通過在芯片雙軸位移臺(tái)上安裝熱電致冷器并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫度，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的控制。

圖1.基于光柵耦合技術(shù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，共振峰的偏移會(huì)隨著氣體濃度的增大而呈上升趨勢，偏移效應(yīng)不存在溫度依賴性，也沒有明顯的平臺(tái)效應(yīng)，微環(huán)諧振腔對(duì)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(jì)算出實(shí)驗(yàn)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(diào)上升趨勢，也不存在氣體濃度依賴性以及平臺(tái)效應(yīng)。擬合結(jié)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(dòng)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(shí)現(xiàn)較為線性和準(zhǔn)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(jié)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(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的碩士生劉星宇，通信作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（62175179, 62161160335, 61805175）項(xiàng)目和天津市杰出青年基金（23JCJQJC00250）項(xiàng)目的支持。