EPIC Photonics：集成光子技术的创新和应用(医疗传感器)

2025年6月24日至27日，在德国慕尼黑举办的“Integrated Photonics Applications Stage at the Laser World of Photonics”活动，由LASER WORLD OF PHOTONICS主办，联合PhotonDelta、ficonTEC photonics assembly & testing等机构共同开展。

这场聚焦集成光子学技术的会议，设置了通信、AI、激光雷达、医疗传感器四大专题环节，邀请全球行业领袖、技术专家及创新企业代表，分享最新技术突破与跨领域应用成果。

一、通信领域：光子集成技术驱动数据中心与网络升级

EPIC Photonics：集成光子技术的创新和应用(通信领域)

二、AI领域：共封装光学与光子集成突破算力瓶颈

EPIC Photonics：集成光子技术的创新和应用 (AI光互连领域)

三、激光雷达领域：FMCW与光子集成推动高精度传感

EPIC Photonics：集成光子技术的创新和应用(激光雷达传感)

四、医疗传感器领域：光子集成赋能高精度诊断与监测

医疗传感器领域的报告聚焦光子集成技术在成像、生物传感、生理监测中的应用，推动医疗设备的小型化、高灵敏度与规模化。

① Carl Zeiss（Stefan Richter）：《Optical Coherence Tomography with Photonic Integrated Circuits》

核心主题：基于光子集成芯片（PIC）的光学相干断层扫描（OCT）技术，推动眼科成像设备的小型化与普及。

◆ 技术背景

OCT是眼科诊断的关键技术（如视网膜检查、青光眼监测），但传统系统成本高（约4.2万美元）、体积大，难以覆盖新生儿、卧床患者等群体。

◆ PIC解决方案

㈠ OCTChip系统：

- 目标：高帧率、低成本，图像质量媲美高端OCT系统。 - 技术细节：采用4个样本臂通道并行扫描，结合MEMS扫描仪、微型透镜阵列（MLA），实现12mm视场；

激光输入通过模式复用器（MMI）分束，检测臂为TM偏振，参考臂为TE偏振，集成平衡光电探测器（PD）、跨阻放大器（TIA）、ADC及千兆收发器，数字数据流达5×3.2 Gbit/s；基于模型眼的测试显示，100kHz扫频速率下可清晰识别视网膜层状结构（信噪比仍有限）；

㈡ 手持OCT设备：

- 技术升级：在OCTChip基础上，波长从840nm提升至1060nm以优化图像质量；分离放大器、ADC等电子元件提升性能；集成3D打印微透镜（芯片 facet 处，100μm尺寸）作为成像光学接口。 - 系统参数：视场9mm（450 A扫描），支持1×-20×平均以提升信噪比；结构包含固定目标、虹膜观察器、PIC封装、MEMS扫描仪，延迟线100mm，适配手持操作。

◆ 应用场景

视网膜分层成像、新生儿视网膜病变筛查、ICU患者监测等，解决传统设备移动性差、成本高的痛点。

② Fraunhofer HHI（Martin Schell）：《SiN and Polymer PICs for Sensing》

核心主题：基于氮化硅（SiN）和聚合物的光子集成芯片，面向生物传感、量子成像等高精度医疗检测需求。

◆ 材料平台优势

- SiN PIC：低损耗（0.2dB/cm）、宽波长覆盖（可见至近红外），适用于高灵敏度传感；

- 聚合物PIC（PolyBoard）：低成本、易加工，兼容生物材料，支持780nm-1600nm波长。

◆ 核心应用

- 生物传感器：SiN微环谐振器（MRR）检测蛋白质、病毒等生物标志物，结合抗体/适配体实现高特异性；

- 量子成像：集成1550nm纠缠光子源，提升低光强下OCT和显微成像的信噪比；

- 磁强计：结合金刚石NV中心，实现3×3像素磁传感阵列，用于脑磁图等生物磁信号检测。

◆技术亮点

支持多参数同步检测，设备微型化（如量子模块体积仅7cm），兼容InP、GaAs等有源器件集成。

③ InSpek（Ivan-Lazar Bundalo）：《One Tiny Multisensor for Bioprocess Monitoring》

核心主题：基于PIC的“一体化”多参数传感器，实时监测生物制药、发酵等过程中的关键参数。

◆ 传统传感器痛点

生物过程依赖多种离线传感器（pH、溶氧等），操作复杂、响应滞后，导致30%的生产失败率。

◆ 技术方案

- PIC集成多传感器：整合拉曼光谱模块（检测化学成分）、温度、pH等传感器，通过“波导增强拉曼”技术提升灵敏度（较传统方法高10倍）；

- 系统组成：PIC传感器芯片+控制单元（激光器+光谱仪）+分析软件，支持即插即用，适配生物反应器。

◆ 应用案例

实时监测酵母发酵生产对香豆酸（p-CA），使产量提升2倍；计划2026年推出集成拉曼+pH+溶氧的全参数版本，2027年结合AI实现智能控制。

④ Amazec Photonics（Pim Kat）：《The Art of High Resolution FBG Sensing for the Detection of Cardiac Disturbances》

核心主题：基于集成光子学光纤布拉格光栅（FBG）的高分辨率温度传感，用于心脏功能监测与疾病诊断。

◆ 技术原理

通过0.1mK分辨率的温度传感，结合“热稀释法”：注射4-20℃冷盐水后，监测血液温度变化曲线，计算心脏输出量（CO）、射血分数（EF）等参数，辅助心力衰竭诊断。

◆ 应用进展

- 侵入式测量：在颈动脉、肾静脉检测到清晰的“首次通过”（心脏输出）和“再循环”（血容量）信号；

- 非侵入式探索：通过皮肤传感器初步估算CO和EF，需进一步算法优化以消除皮肤血管收缩干扰。

◆ 商业化

成立新公司Ardeonics，推动技术在医疗设备中的落地。

⑤ X-FAB（Joni Mellin）：《More than Photonics: Photonics technologies for biomedical sensor applications》

核心主题：硅光子平台支撑的生物医学传感器，推动即时检测（POCT）的规模化生产。

◆ 市场需求

人口老龄化、慢性病增加推动POCT需求，需小型化、低成本、高灵敏度的检测设备。

◆ 技术平台

- SiN光子平台：PECVD工艺制备150nm/400nm SiN波导，支持可见光至近红外波长，损耗低（<1dB/cm），适配生物传感；

- 异质集成技术：结合微转移印刷、3D封装（TSV）、微流控技术，实现光子芯片与电子元件、流体通道的集成。

◆ 产品优势

支持多标志物同步检测（如蛋白质、病毒），成本低（一次性传感器<10美元），兼容ISO 13485医疗认证产线，适配家用、临床等场景。

⑥New Origin（Twan Korthorst）：《Industrialization of Silicon Nitride PIC Manufacturing》

核心主题：氮化硅（SiN）PIC制造的工业化，推动医疗传感器的低成本、规模化应用。

◆ 产业化挑战

传统SiN PIC依赖共享研发设施，难以满足医疗领域对量产、质量一致性的需求。

◆ 解决方案

- 200mm晶圆产线：年产能2.5万片，采用半自动化流程，支持晶圆级微流控、生物功能化涂层等定制工艺；

- 标准化平台（SiN+）：提供成熟PDK，简化客户设计，实现从研发到量产的无缝过渡。

◆ 医疗应用案例

- POCT生物传感器：3×3.5mm SiN芯片，螺旋波导设计提升灵敏度，可检测亚皮克级蛋白质，支持5种标志物同步检测，结果耗时10-15分钟，成本降低约5倍。

【总结】

医疗传感器领域的集成光子学技术聚焦高灵敏度、小型化、多参数集成，通过PIC技术突破传统设备的成本与体积限制：

- 成像领域（Carl Zeiss）：OCT设备从桌面级向手持化演进，扩大医疗可及性；

- 生物传感（Fraunhofer HHI、X-FAB、New Origin）：SiN和聚合物PIC支持高特异性检测，推动POCT普及；

- 过程监测（InSpek）：一体化传感器解决生物制药的实时监测痛点；

- 生理监测（Amazec）：高分辨率温度传感为心脏疾病诊断提供新工具。

制造工业化（如New Origin的SiN产线）是技术落地的关键，为医疗传感器的规模化应用奠定基础。