复合材料因其出色的强度-重量比、高热稳定性以及设计灵活性，在航空航天领域中的应用日益增多，正逐渐取代飞机和汽车结构部件中的金属合金。这些材料不仅对环境影响小，还具有提高燃油经济性的潜力，进一步推动了汽车工业的研究。
尽管高压釜固化工艺能够严格控制固化过程中的温度、压力和真空条件，生产出高质量的航天工业部件，但其高昂的成本和资源消耗限制了其在工业界的广泛应用。因此，人们开始采用替代工艺，使用金属和复合材料模具在较低压力下制造部件。然而，这种方法生产的部件质量参差不齐，需要更严格的生产过程监控。
为实现这一目标，研究者提出了多种监测技术，包括热电偶、电容传感器和光纤布拉格光栅传感器。这些技术在碳纤维复合材料模具中的应用受到限制，因为它们对电磁干扰敏感，且测量范围有限。
本文提出的解决方案是将光子集成电路 (PIC) 传感器集成到生产模具中，用于制造高质量的RTM-6复合材料部件。布拉格光栅传感器具有抗电磁干扰、小型化和信号多路化的优势，而光子结构可以放置在模具表面，有效监测树脂固化过程，降低部件表面缺陷风险。
研究内容
本文采用了基于集成光电子平台的布拉格光栅传感器，该传感器由周期性变化的折射率构成，具体体现为波导宽度的周期性波纹。这种精确的周期性几何结构赋予了传感器对特定频谱的选择性，使其能够作为带通滤波器使用。文章中展示了PIC与光纤的连接方式，如图1所示。
图1. (a) 封装传感器配置 (左)，光纤到pic接口 (右)；(b) 传感器组装，PIC在顶部，光纤接口在底部；(c) 封装管内的传感器，连接到光纤上。
封装的传感器采用穿透厚度增强 (TTR) 技术嵌入复合工具中，这一过程对传感器的损伤极小，并且不需要依赖特殊设备。布拉格光栅为表面浮雕结构，制造于220 nm的硅绝缘体平台上。每个光栅的间距由具有两种不同宽度的硅条构成，所用材料及其折射率详见表1。
表1 集成结构中使用的材料。
设计过程始于二维研究，涉及对所有波导模式及其相关的有效折射率指数 (neff) 的计算。所使用的计算工具是横断面算法，即FDE (有限差分特征模式)。通过计算每个导模的有效指数 (neff)，可以估计光栅间距 (Ʌ)，进而得到所需的共振波长 (λB)，表达式为：
有效折射率受到传播方向上波导较宽部分与总光栅周期之比的影响，这个比值被称为填充因子 (FF)。选择50%的填充因子意味着光栅周期的两个部分对新的填充因子有相等的贡献。因此，有效折射率的计算公式为：
在计算出所需的共振波长对应的光栅周期之后，接下来的步骤是优化光学结构的光谱响应。我们采用频域算法进行仿真，使用Lumerical的EME (本征模式扩展) 传播求解器分析场的引导模式和辐射模式，并利用散射矩阵技术对结构的不连续性进行建模。这种方法非常适合周期性结构。表2展示了几何特性变化对周期结构光学响应的影响。
表2. 几何特性和其对传感器光学响应的影响。
图2显示了实验测试平台，嵌入式热电偶和光学传感器。
图2. (a) 实验试验台示意图；(b) 光学传感器的响应，原始数据 (蓝色) 和滤波数据 (红色)；(c) 复合工刀具的矩阵和冲孔；(d) 热电偶记录的加热周期。
图3给出了波导宽度为450 nm，高度为215 nm的波导模式结构轮廓图。芯片所用材料的折射率如图5 (a) 两种极化状态 (TE和TM) 的场强如图3 (b,c) 所示。
图3. (a) 层叠截面，表示所使用的每种材料的折射率；(b) TE模式的电场强度分布图；(c) 相同硅波导下TM模式的电场强度分布图。
图4展示了TE偏振态 (红色) 和TM偏振态 (蓝色) 的约束因子 (y轴) 与波纹宽度 (x轴) 之间的关系。在TE模式下，硅条内部的光功率分布更为集中。由于硅具有最高的热光学系数，对温度变化极为敏感，因此在测试阶段选择仅考虑TE结构。
图4. TE和TM偏振光栅波纹宽度的约束因子。
图5 (a) 展示了基模的有效折射率 (y轴) 与波纹宽度 (x轴) 的函数关系，以评估波纹宽度对新模式的影响。利用表达式 Λ=λB/2·neff，其中 λB=1550 nm，我们可以计算出对应的光栅周期。计算结果如图5 (b) 所示，波纹宽度在10 nm到30 nm的范围内进行了分析。
图5. (a) TE偏振基模的有效折射率；(b) 光栅间距作为波纹宽度的函数。
在计算了波纹宽度值范围内的光栅间距后，本文对光学器件进行3D建模，对布拉格结构在10 nm、20 nm、30 nm波纹宽度和100、200、300个周期下进行仿真，结果如图6所示。
图6. (a) 波纹宽度变化；(b) 周期变化。
此外，本文还研究了一种TE相移布拉格光栅，并研究了dw=20 nm时，光栅间距变化对其光谱的影响，如图7所示。
图7. 不同光栅间距的TE相移布拉格光栅反射光谱。
在综合考量两种传感器的光谱检测精度后，本文将传感器的波纹宽度设定为20 nm，周期数设定为200，并通过模拟验证了这是最理想的结构配置。本文设计的传感器在实验室环境中进行了校准，并嵌入集成工具中进行了实际环境测试。实验室校准数据与集成工具中的测试数据进行了对比，对比结果详见图8。模型中的系数a和b详列于表3。
图8. (a) 实验室和工具内部传感器的线性回归模型；(b) 热电偶记录的加热周期 (蓝色) 和光学传感器记录的温度 (红点)。黄色的条形图提供了总误差的定性概述。
表3. 实验室校准与嵌⼊式传感器的⽐较。
研究总结
本文提出了一种用于监测复合材料生产过程中关键指标的硅光子布拉格光栅传感器的设计和实验评估。文中展示了规则光栅和相移布拉格光栅的设计仿真，并提供了实验室环境下的实验评估以及嵌入复合工具中的实验验证结果。实验结果表明，即使在嵌入温度传感器的情况下，复合材料工具仍展现出高灵敏度 (85 pm/°C) 和良好的线性度。这一成果为在复合工具界面上快速、精确地测量RTM-6生产过程中的温度提供了可能，实现了以最小的空间占用监测树脂状态的目标。
原文出自 Sensors 期刊
Syriopoulos, G.; Poulopoulos, I.; Zervos, C.; Kyriazi, E.; Poulimenos, A.; Szaj, M.; Missinne, J.; van Steenberge, G.; Avramopoulos, H. Photonic Integrated Circuit Based Temperature Sensor for Out-of-Autoclave Composite Parts Production Monitoring. Sensors 2023, 23, 7765.
撰稿人：岳洋
专栏简介
“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。
专栏编辑
岳洋 教授
西安交通大学
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