章喆 李明宇 肖澤華 潘倫 包晟 楊志平 李秋順

摘要：研究了一種硅光子芯片空間光耦合系統(tǒng)，簡化了集成光子芯片用光纖陣列耦合的方式，通過將1550 nm 附近波段的光通過空間光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)光柵耦合器垂直耦合進(jìn)入集成光子芯片，經(jīng)過波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感，采用多模光纖收集出射能量，并進(jìn)行溫度傳感測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用波長探測方式，得到自由光譜范圍（FSR）為0.85 nm ，Q 值為16321的環(huán)形諧振腔直通端透射譜線。在溫度傳感測試中，其靈敏度達(dá)到127 pm/℃。通過進(jìn)一步對比測試表明，空間光耦合與光纖陣列光耦合只在插入損耗方面有所差距，耦合系統(tǒng)可得到較好的溫度傳感測試結(jié)果?？臻g光耦合具有更換傳感器芯片便捷，容易實(shí)現(xiàn)多通道測試等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：集成光子芯片；光耦合系統(tǒng)；光柵耦合器；光譜掃描；溫度傳感

中圖分類號： TH 477 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

The chip of temperature sensor based on spatial optical coupling system

ZHANG Zhe1，LI Mingyu1，2，XIAO Zehua1，PAN Lun2，BAO Sheng1，YANG Zhiping3，LI Qiushun4

（1. College of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China;

2. Zhejiang LightTip Electronic Technology Co.， LTD.， Wenzhou 325011， China;

3. State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation， Zhejiang University， Hangzhou， 310027， China;

4. Biology Institute， Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250103， China）

Abstract： A silicon photonicchip space coupling system is studied， which simplifies the coupling mode of integrated photonicchip with optical fiber array， Through the spatial optical system， the light in the band near 1550 nm is vertically coupled into the integrated photonicchip through the grating coupler， and the optical sensing is realized through the waveguide and microring resonator. The multi-mode optical fiber is used to collect the emerging energy and carry out the temperaturesensing test. The experimental results show that the transmission lines of the through-end ring resonator with frree spectral range（FSR） of 0.85 nm and Q value of 16321 are obtained by wavelength detection. In temperature sensing tests， the?sensitivity reached 127 pm/℃. The results show that there is only a difference between spatial optical coupling and optical fiber array optical coupling in insertion loss， and the coupling system can get better temperature sensing test results. Spatial optical coupling has the advantages of convenient replacement of sensor chip and easy to multi-channel testing.

Keywords： integrated photonic chip ； optical coupling system； grating coupler ； spectrum scanning；temperature sensor

引 言

集成光子芯片作為檢測基于折射率改變的溫度及生物分子變化的高靈敏度傳感器，具有集成度高，靈敏性強(qiáng)，成本較低和體積小等優(yōu)勢[1]。因此目前其可進(jìn)行溫度與生物傳感的檢測，在未來也有較廣的發(fā)展空間[2]。由于硅在1550 nm 波長處具有1.84×10?4 K?1[3]的正熱光系數(shù)，因此由硅絕緣體制成的微環(huán)諧振腔傳感器，可充分利用熱光效應(yīng)進(jìn)行傳感[4-5]。當(dāng)傳感器的溫度發(fā)生變化時，微環(huán)波導(dǎo)的有效折射率也會發(fā)生變化，這將導(dǎo)致微環(huán)諧振腔的諧振波長發(fā)生變化，通過這一原理可將微環(huán)諧振器作為溫度傳感器來使用[6-8]。

目前，在光源與 Si 基集成光子芯片傳感器之間的光束耦合方案上還存在著問題，一種耦合方案是使用端面耦合，將平面波導(dǎo)通過光截面直接與光纖透鏡進(jìn)行對準(zhǔn)耦合，由于二者模場分布不同，導(dǎo)致其耦合效率受到限制[9]。另一種方案是垂直耦合方案[10-11]，通過光柵耦合器將垂直方向光束與波導(dǎo)中水平方向光束耦合。2005年， Taillaert 等[12]研究人員使用條狀刻蝕光柵耦合器與普通單模光纖相互耦合。2010年， Chen 等[13] 基于絕緣體上硅（silicon on insulator ，SOI）平臺制成了新型的光柵耦合器，使用了振幅切趾的技術(shù)，在 Si 層使用變占空比的淺刻蝕技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了光柵的振幅切趾功能[13]，但其在制作精度方面要求較高。2010年，夏紀(jì)朝等[14]設(shè)計了一種基于嚴(yán)格耦合波理論的亞波長光柵，這種亞波長結(jié)構(gòu)使得元件的光柵強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，亞波長光柵結(jié)構(gòu)還具有降低光柵表面反射率及折射率過度平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但同樣其在制備過程與工藝要求方面較為嚴(yán)格。

在垂直耦合方案中光纖陣列是常用的耦合元件，傳統(tǒng)光纖陣列在傳感測試中需要通過紫外固化膠與光學(xué)芯片進(jìn)行黏合，在芯片傳感結(jié)構(gòu)緊湊時，紫外固化膠在芯片表面覆蓋易影響傳感區(qū)域的觀測，在溫度傳感時會使得覆膠部分導(dǎo)熱不均從而影響傳感效果。使用空間光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行耦合則可以避免這一問題，并且在需要更換傳感區(qū)域時，無需除膠并重新裝調(diào)耦合設(shè)備，使得傳感測試更加方便。2022年，劉智穎等[15]提出一種用于級聯(lián)雙環(huán)生物傳感器出入射共徑多路空間對光系統(tǒng)。其光學(xué)系統(tǒng)包括入射透鏡、分光鏡、掃描振鏡、聚焦透鏡組等，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測光、級聯(lián)雙環(huán)生物傳感器、光電探測器三者之間的簡便、無損對光。但其目前仍處于理論研究階段，未能進(jìn)行實(shí)際測試。2023年，肖澤華等[16]提出一種對應(yīng)于光纖陣列的基于反射鏡結(jié)構(gòu)多路光學(xué)系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)光路的切換，但此基于光纖陣列的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還未適用于光學(xué)芯片，其耦合測試較難實(shí)現(xiàn)。為此本文設(shè)計空間光耦合輸入/輸出芯片的光耦合系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了一套溫度傳感器。

1 理論與仿真設(shè)計

1.1 光柵耦合器

集成光子芯片可以通過光柵耦合器將垂直方向的空間光耦合進(jìn)/出波導(dǎo)，光柵耦合器原理可由布拉格衍射條件進(jìn)行說明，它描述了入射光波矢與衍射光波矢之間的關(guān)系。當(dāng)光束由波導(dǎo)經(jīng)光柵向空間衍射時，入射光波矢為 Kin ，光柵矢量為 KΛ= ， nu與 nc分別為上下介質(zhì)折射率，Λ為光柵周期。此時光柵布拉格條件為：入射波在光柵方向的波矢量與光柵矢量的整數(shù)倍疊加后，所得的波矢的方向?yàn)檠苌浼壌蔚姆较?，波矢的大小為光柵波?dǎo)模式的傳播常數(shù)大小[17]，將其定義為β= · nef 。其中 nef 為波導(dǎo)的有效折射率，由布拉格條件可得

式中 m為衍射級次。當(dāng)光束由波導(dǎo)經(jīng)光柵向空間中衍射，此時 Kin處于波導(dǎo)中且沿著光柵矢量 KΛ的方向，如圖1所示，將布拉格常數(shù)與光柵矢量代入并整理后可表示為

為保證有衍射光輸出，則 jsin θj <1，進(jìn)而 nef+ m ＜nu ；由 nef＞nu ，且λ與Λ都為正數(shù)，可知 m取負(fù)整數(shù)。

當(dāng)?Kin = KΛ時，光柵的?1級次衍射光會發(fā)生垂直衍射，而?2級次衍射光會反向進(jìn)入波導(dǎo)，稱為二階反射，其會影響器件的工作性能。

當(dāng)?Kin = Kb＞KΛ時，如圖1中綠色箭頭?Kb 所示，由于其大于光柵矢量，?1級次衍射光產(chǎn)生正傾斜衍射，?2級次衍射光沿光柵方向分量減小，可以減小二階反射。

當(dāng)?Kin = Ka＜KΛ時，如圖1中橙色箭頭?Ka 所示，由于其小于光柵矢量，?1級次衍射光產(chǎn)生負(fù)傾斜衍射，雖然其沒有?2級次光的衍射，但是在相同入射波矢的情況下，負(fù)傾斜耦合時的光柵矢量要大于正傾斜耦合時的光柵矢量，導(dǎo)致光柵周期很小，使得工藝難度加大，制作誤差增加[18]。而另一方面在兼顧光纖接收時，負(fù)傾斜耦合模式不利于對光進(jìn)行測試。故本測試使用正傾斜耦合。

本文采用光柵耦合的方式進(jìn)行集成光學(xué)芯片的光學(xué)耦合，光柵耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。兼容制作工藝難度與器件性能，設(shè)計本系統(tǒng)中光柵耦合器的周期Λ為1?m、刻蝕寬度為0.5?m、占空比為0.5、采用淺刻蝕技術(shù)，刻蝕深度 etch為0.085?m、硅層厚度為0.22?m，芯片為 SOI結(jié)構(gòu)，上包層為 SiO2。

光經(jīng)波導(dǎo)進(jìn)入光柵耦合器向上耦合出芯片，其電場分布如圖3（a）所示。光柵耦合器的耦合效率定義為經(jīng)耦合器件耦合輸入/輸出的能量占入射光源總能量的比值，其受波導(dǎo)與光柵之間反射損耗能量、光柵襯底泄露能量及模斑失配等多種條件影響。圖3（b）為光柵耦合效率隨入射光源角度的變化曲線，其在7°附近取得耦合效率的最大值，并結(jié)合代工與工藝，選擇7°附近范圍作為耦合輸入/輸出角度。仿真過程為：使用高斯光源模擬空間光入射光柵耦合器，在波導(dǎo)中添加監(jiān)視器，設(shè)置透過監(jiān)視器能量與光源總能量占比隨光源角度變化的掃描文件。通過掃描可得，7°耦合角度附近耦合效率約為41%。入射光為 TM 偏振，測試中使用偏振調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)偏振態(tài)。

1.2 光路與機(jī)械結(jié)構(gòu)

基于集成光子芯片的空間光耦合光路系統(tǒng)如圖4所示。應(yīng)用軟件模擬波長為1550 nm 的激光，傳輸通過準(zhǔn)直透鏡后的入射情況，入瞳1.6 mm ，平行光入射區(qū)域1中半透半返鏡，射入?yún)^(qū)域2中匯聚透鏡。會聚透鏡選取方式為：透鏡直徑尺寸應(yīng)符合系統(tǒng)，直徑過小則造成能量損失，直徑過大則會阻擋接收端光纖靠近出射光柵端口，造成接收困難，故在設(shè)計中，直徑的選取值為6.3 mm；后焦距的選取值為10～30 mm，焦距過短則接收端無法調(diào)節(jié)，且無法通過電子照相機(jī)觀測光柵對準(zhǔn)位置，焦距過大則光路過長，使得系統(tǒng)的體積過大，經(jīng)考量與優(yōu)化后，焦距的選取值為20.97 mm。光束經(jīng)匯聚透鏡后，入射到芯片的光柵上，光柵長為15?m，寬為10?m?？紤]對準(zhǔn)容差和損耗，像面光斑尺寸應(yīng)略大于光柵尺寸，光柵的耦合角度通過像面的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)像面為原像面傾斜7°所得。圖5（a）為光學(xué)系統(tǒng)的光線扇形圖，其橫坐標(biāo)為歸一化入瞳，縱坐標(biāo)為光線在像面偏離主光線的值?？梢钥吹?，系統(tǒng)光線扇形圖縱坐標(biāo)最大尺度小于10?m。圖5（b）為點(diǎn)列圖，其艾里斑半徑為26.09?m，達(dá)到衍射極限且兼顧了對準(zhǔn)容差，成像質(zhì)量良好。

使用軟件模擬設(shè)計芯片載臺和半透半反鏡夾具。將芯片載臺及散熱裝置固定于六維調(diào)節(jié)臺上并縮短光程，用于拉開相鄰六維臺的空間位置并與垂面傾斜7°;半透半反鏡夾具可固定于水平伸出的具有m6孔的光學(xué)支桿上，拉開了空間位置并與垂面傾斜45°。

2 集成光子芯片光耦合系統(tǒng)及溫度傳感

2.1 光耦合系統(tǒng)測試流程

基于集成光學(xué)芯片傳感器的光耦合系統(tǒng)，其中心工作波長為1550 nm 附近40 nm 范圍內(nèi)的檢測光。光耦合系統(tǒng)實(shí)物如圖6（a）所示：區(qū)域1為 Thorlabs PAF2-7C 準(zhǔn)直鏡；2為分光鏡；3為匯聚透鏡；4為集成光子芯片與六維基臺；5為接收端多模光纖；6為反射標(biāo)定端準(zhǔn)直鏡；7為收集光纖微調(diào)六維架；8為溫度控制模塊。圖6（b）為顯微鏡下光柵與波導(dǎo)圖像，區(qū)域1～4為光柵區(qū)域，相鄰光柵間距為127?m，每個光柵尺寸長為10?m、寬為15?m 。圖6（c）為芯片環(huán)型諧振腔在顯微鏡下照片，在本傳感測試中光束在微環(huán)下方直波導(dǎo)中從右至左經(jīng)過。本文使用的芯片是由中科院微電子研究所代工所制，其工藝制作流程，主要包括以下步驟：首先對晶圓進(jìn)行清洗，洗去表面雜質(zhì)及有機(jī)污染物；之后進(jìn)行勻膠及光刻，將掩膜置于光刻膠表面并曝光除膠；接著進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕掉未覆蓋光刻膠區(qū)域的硅結(jié)構(gòu)；最后進(jìn)行除膠，生長二氧化硅上包層等操作。

集成光子芯片的空間光耦合系統(tǒng)及測試方法為：將寬帶光源或激光器與紅光激光通過一分二單模光纖耦合器連接到激光準(zhǔn)直鏡1的前端，通過準(zhǔn)直鏡1輸出平行光入射半透半反鏡2，再通過匯聚透鏡3將激光入射到集成光子芯片4的光柵耦合器上。再經(jīng)由圖6（b）光柵耦合器與波導(dǎo)過圖6（c）中微環(huán) pass端從芯片出射，由多模裸纖5接收并輸入到激光光源功率計中，并連接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到其透射譜線信息。

其中反射標(biāo)定端6由芯片端4反射經(jīng)過透鏡3并過分光鏡2，由準(zhǔn)直鏡連接多模光纖接入功率計中，此反射標(biāo)定光路可判斷入射光線是否對準(zhǔn)，避免同時調(diào)節(jié)入射光學(xué)系統(tǒng)與接收系統(tǒng)，提高對準(zhǔn)效率。并使用微型電子照相機(jī)來觀察芯片上可見波段的光斑形狀與光柵位置，通過連接電腦輸出圖像來輔助對光。

圖7為1530～1570 nm 波段激光經(jīng)空間光學(xué)系統(tǒng)并過波導(dǎo)與微環(huán)結(jié)構(gòu)出射，使用多模光纖接收并連接激光器功率計進(jìn)行光譜掃描，截取1550 nm 波段附近的集成光子芯片 pass端透射譜線。從圖7中可看到近中心波長范圍內(nèi)，相鄰諧振峰的自由光譜范圍 FSR 為0.85 nm，功率極值差即對比度為6.31 dBm，半高全寬（FWHM）為0.095 nm，品質(zhì)因子 Q 值定義為諧振中心波長與半高全寬的比值，如圖7所示，在1550 nm波長附近處的 Q 值約為16321。

圖8為1530～1570 nm 波段空間光耦合與傳統(tǒng)光纖陣列耦合光譜響應(yīng)對比：紅線為空間光耦合系統(tǒng)經(jīng)過波導(dǎo)與微環(huán)結(jié)構(gòu) pass端梳狀透射譜線，藍(lán)線為同芯片同位置光纖陣列透射譜線圖像。

通過譜線對比圖可以發(fā)現(xiàn)，空間耦合測試得到的透射光譜，其在譜線特征方面為集成光子芯片微環(huán)直通端的梳狀透射譜線。空間光耦合與傳統(tǒng)光纖陣列相比，在能量耦合效率方面有所差距，約為14.3 dB，而在其余透射譜線特征方面均差異較小。由于光學(xué)元件的損耗與光機(jī)結(jié)構(gòu)定位偏差影響，其與光纖陣列直接耦合相比多了各部分元件帶來的誤差累積。此外，由于芯片光柵體積小影響操作精度，焦平面處實(shí)際光斑半徑要比設(shè)計的光斑尺寸大，也會降低耦合效率。波長方向諧振波谷的偏差由溫度差異引起，其不影響整體譜線特征。

2.2 溫度傳感測試

由于硅光子芯片具有正熱光系數(shù)，可充分利用熱光效應(yīng)進(jìn)行傳感。溫度傳感本質(zhì)原因?yàn)椋簻囟茸兓鹞h(huán)諧振腔有效折射率 neff變化，由諧振方程 neff*2πR = mλ可知，對于相同微環(huán)結(jié)構(gòu)，由外界條件變化引起的有效折射率的改變使得諧振波長發(fā)生變化，其可表示為透射譜線在波長方向的漂移，通過分析波長漂移量與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系可得出溫度傳感器的靈敏度。

本測試通過數(shù)字溫度傳感模塊，對 TEC 材料及芯片進(jìn)行溫度控制，每變化0.3℃測試一組數(shù)據(jù)，圖9為在數(shù)字溫控模塊顯示的溫度，其從21.55℃變化至25.45℃時，1550 nm 附近波段光學(xué)系統(tǒng)透射光譜圖。溫度傳感擬合結(jié)果顯示如圖10所示，將數(shù)據(jù)擬合后可看出光譜波長隨溫度變化漂移量呈現(xiàn)線性變化，實(shí)驗(yàn)測得該傳感器靈敏度為127 pm/℃。實(shí)驗(yàn)證明通過光譜譜線漂移可精確反應(yīng)溫度的變化，其 R2為0.998，殘差平方和為0.002。

空間光耦合進(jìn)行溫度傳感屬于遙感系統(tǒng)，其相對于傳統(tǒng)陣列耦合方式，優(yōu)勢在于：光線輸入/輸出系統(tǒng)不與傳感芯片接觸，非接觸式傳感器使用壽命較長，無磨損且沒有外界溫度、濕度變化引起的紫外膠的不穩(wěn)定及覆膠部分的溫度差異等影響，可有效檢測短距離范圍內(nèi)微小的溫度變化。

3 總 結(jié)

基于集成光子芯片傳感器的光耦合系統(tǒng)及測試方法，采用空間光耦合方式，將1550 nm 附近波段光源通過空間光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)光柵耦合器垂直耦合進(jìn)入集成光子芯片，經(jīng)過波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感，采用多模光纖裸纖空間收集出射能量，并通過激光器光譜掃描判斷耦合能量損耗與對準(zhǔn)位置偏差。由激光器輸入0 dBm并連接閉環(huán)輸出可進(jìn)行光譜掃描，其結(jié)果顯示接收空間光的光譜特征為集成光子芯片?pass端光譜，中心波長附近峰值功率值?49.3 dBm，減去光纖陣列封裝方式接收得到的峰值功率值?35 dBm，可得空間光耦合系統(tǒng)耦合效率14.3 dB，相鄰諧振峰的自由光譜范圍為0.85 nm，對比度為6.31 dBm，半高全寬為0.095 nm，品質(zhì)因子 Q 值為16321。從溫度傳感測試可以看出，該傳感器靈敏度達(dá)到127 pm/℃、 R2為0.998，本裝置溫度傳感特性穩(wěn)定。其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖陣列耦合，提高了芯片使用效率，降低了系統(tǒng)成本，提高了可操作性。通過光譜數(shù)據(jù)對比可以看出，空間光耦合只在能量強(qiáng)度方面有所差距，空間光耦合易更換芯片、方便調(diào)節(jié)對光耦合區(qū)域等。本系統(tǒng)作用于溫度傳感時，可避免由紫外膠引起的粘貼不穩(wěn)定及覆膠部分的溫度差異等影響。本系統(tǒng)未來可選擇加入掃描振鏡，對傳感器陣列進(jìn)行快速精確掃描。

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（編輯：張磊）