2026年5月1日——光子集成电路如何突破传感系统的极限？加入PhotonDelta全球光子工程竞赛，共同开发未来的传感技术。

如今，传感技术已深入千家万户和各行各业。随着消费与工业技术的演进，市场对传感器提出了新的要求，而现有产品有时难以满足这些需求。

在许多此类场景中，光子集成电路（PIC）展现出独特优势，例如体积小、响应快、灵敏度高、功耗低，能够更高效地将环境信号转换为光域信号，从而成为下一代传感技术的关键。

随着台积电（Compact Universal Photonic Engine，COUPE）等巨头采用硅基光子平台，基于PIC的传感技术有望与新兴标准接轨，并在技术和经济上具备大规模部署的可行性。

PhotonDelta诚邀工程师参加其全球光子工程竞赛，提出基于PIC的解决方案，助力重塑传感行业乃至更广泛的领域。为此，该团队探讨了PIC所支持的技术模式，以及这些技术如何推动以传感为核心的不同行业的发展。

PIC赋能传感技术

PIC的新兴应用之一，是用于光纤布拉格光栅（FBG）和分布式声波传感（DAS）的读出，为以人为中心的监测提供光纤传感系统。

FBG可使光纤纤芯在特定长度上产生正常折射率的变化。在光纤中传播并与FBG相互作用的特定波长的光，可能被反射回光源或透射，FBG在此充当光谱滤波器。由于FBG对温度高度敏感，透射光将取决于环境温度，这使得光纤传感器成为温度监测的理想选择。这可以在一个或多个位置实现，因为FBG器件可以相互连接，在单条线路上执行并复用数百次精确测量。

与FBG类似，DAS依赖于光纤材料中的微观变化来检测光纤长度上的任何异常。光纤上的任何应变都会导致传播的光反射回原始传感器，在那里被收集和分析。该系统足够灵敏，能够检测到最微小的振动，这些振动会在光纤内部引起背向散射。这使得DAS适用于实时监测任务，如管道泄漏、铁路安全、地震活动等。

医疗保健领域的应用

医疗保健应用之一是内窥镜检查。借助光纤系统，可以开发出微型内窥镜，到达身体其他方式难以触及的部位。这有助于在手术过程中评估情况，为外科医生提供即时反馈。随着PIC技术的应用，机器人手术有望蓬勃发展，因为可以使用有源回路为设备提供触觉反馈。

利用PIC系统，可以达到必要的灵敏度水平，并借助机器学习（ML）模型分析检测到的光学特征，从而构建外骨骼。这可以极大地改善慢性病患者的生活质量。除了机械臂，还可以构建外骨骼和全人形机器人，因为这些传感器可以检测位置和应变，还能模拟皮肤特性，如温度和压力。

另一个受益于PIC的医疗应用是使用光谱学进行无创健康监测。借助PIC传感器，可以在皮下进行光谱测量，以监测糖尿病患者的血糖水平。

除了光谱仪，还可以使用带有微环谐振器的PIC来执行无标记免疫测定，用于检测葡萄糖或其他分子。光学环谐振器根据其物理参数，能够允许特定频率的输入光透射。这些频率在传感器输出端被用于分析。与外部物质的任何相互作用都会引起环谐振器折射率的变化，从而导致允许频率的改变，进而改变传感器输出端的检测信号。

这有助于通过确定存在的分子来识别相互作用物质的结构成分。这些传感器用途极其广泛，通过添加特定的生物受体层，可以调整其具有不同的选择性规则，从而能够执行不同的测试。这种技术可以识别不同的状况，并直接向设备用户发出警报。

PIC技术可用于生产足够小的传感器，以便集成到可穿戴设备中。它们可用于监测呼吸频率、心音和关节运动。这一切都通过分析光子系统发送并与佩戴者相互作用后返回的脉冲波前成为可能。这些技术非常适合家庭应用，因为监测可以在数十个传感点进行，同时仍能保护患者隐私，因为检测不需要任何摄像头。这些设备可以提供主动护理而非被动护理，例如在心衰发生之前进行治疗。

农业食品与环境监测领域的应用

与医疗行业一样，农业食品行业也能从光纤PIC技术的应用中受益匪浅，迎来可持续性和精准农业的新时代。

PIC使得构建大型传感网络成为可能，可用于监测土壤湿度、漏水和水温波动。这种设置可用于确保整个生物群落的健康，甚至从远程位置监测野生动物。

未来，农业部门将因在农场集成PIC传感器以监测所生产食品的生长和质量而显著受益。数据流可以传递给农民，从而做出实时决策，根据需要调整灌溉和土壤养分水平。由于传感器具有高灵敏度和快速响应能力，这创造了可持续的农业解决方案，有助于防止资源浪费。

光纤能够延伸至数百公里，因此可用于在单一平台上研究大片土地。与其他农业实践相比，PIC降低了成本和功耗，进一步促进了可持续性。

尚待解决的工程挑战

尽管基于PIC的系统已集成到多个行业中，但仍存在一些需要解决的挑战，以确保更广泛的采用。为了应对这些挑战，PhotonDelta发起了全球光子工程竞赛。其中一些最突出的挑战包括：

良率和可制造性

对于一次性传感器而言，良率至关重要，因为传感器应该廉价且接近100%准确，而这两者与良率相关。一次性PIC卡盒需要以极高的精度连接到读出系统，以保持信号完整性。在设计包含许多组件的PIC时，准确的良率预测和演示是一些关键挑战。

生物受体规模化

表面的功能化需要对特定成分高度敏感和具有选择性，这本身就是一个化学挑战。另一个挑战是如何使顶层传感器同时对多种成分极其敏感。

标准接口

虽然不是工程挑战，但遵守现有的高量产标准，如封装和自动化测试接口，对于将PIC放入封装并驱动它至关重要。

灵敏度和信噪比

另一个关键挑战是基于PIC的传感器的灵敏度和分辨率，这些需要提高以满足行业标准。通过探索材料科学的进步，可以开发出性能增强的新型架构。

同样，DAS可能受到信噪比的影响，阻碍其解释数据的能力。为了解决这个问题，需要开发诸如反卷积或滤波等去噪技术。这些技术应该具有适应性，因为不同的噪声源需要不同的方法才能有效消除。

封装与系统级工程

另一个突出的瓶颈是封装。这些传感器的封装应仔细考虑和设计，以补充传感器而不限制其用途。例如，对于用于农田监测的FBG，封装应适合保护光纤和传感器免受侵蚀和地面沉降。封装也不应过度设计，因为过度保护会降低传感器性能。

当今的应用制造商需要确保其设备稳定，并且环境影响不会阻碍其性能。系统级工程需要解决可能影响系统性能的噪声和机械冲击。例如，在FBG中，研究人员需要能够区分任何观测到的波长是纯粹由温度变化引起，还是由力振动引起。

这对PIC行业为何重要

在为工业、医疗和农业食品行业构建PIC传感技术时，PIC行业将面临直接而切实的影响。患者治疗结果和新的农业实践将能够为工程师提供即时反馈，并从这些市场的需求中获得明确方向。

对于这些行业，集成是关键，而大规模制造的便携式技术至关重要。这些技术应能进入工业场所、家庭、农田和医院，为PIC工程师提供设计多样化系统的机会，这些系统可在不同环境中实施。这为PIC系统从利基设计发展为在人们生活中发挥巨大作用的多样化应用提供了机会。

您的公司或团队是否正在开发光子学赋能传感技术的下一项创新？立即提交您的申请，参加全球光子工程竞赛。