3. 片上温度传感结构选型
在硅光PIC中，温度会通过硅的热光效应改变波导有效折射率，进而改变几乎所有无源器件的相位、谐振或耦合条件。温度传感结构选型的本质，是选择一种“把温度变化转成可测光功率或波长变化”的片上换能结构。不同结构的灵敏度、线性度、面积和工艺容差差异很大，选型时必须先明确测温范围、分辨率、响应速度、是否允许波长扫描、以及可接受的片上面积。
下面先统一几个判断口径。灵敏度通常用两类量表示：一类是波长型灵敏度 dλ/dT，单位 pm/K；另一类是强度型灵敏度，用归一化光功率随温度的变化率表示，单位 dB/K 或 %/K。线性度指在目标温区内输出量与温度的关系偏离直线的程度，常用满量程非线性误差表示。占用面积指器件本体加必要参考臂、耦合器、探测器接口后的版图面积，而不是只算波导长度。以下示例参数均为教学合理假设，用于说明量级和选型逻辑，不代表某条具体工艺线的实测值。
微环谐振器：高灵敏度、小面积，但需波长锁定
微环温度探针利用谐振峰随温度漂移。硅波导热光系数约 1.8×10⁻⁴ /K，对于半径 5 μm、群折射率约 4.2 的微环，在 1550 nm 附近的一阶谐振条件为 2πR·n_eff = mλ。温度升高时 n_eff 增大，谐振波长红移。典型灵敏度约 60～90 pm/K，若用可调激光扫描并配合洛伦兹拟合，波长分辨率可达 1 pm，对应约 0.01～0.02 K 的温度分辨率。微环的优点是面积小，半径 5～10 μm 的环加总线波导和耦合区通常只占 20×30 μm² 量级；缺点是自由光谱范围有限，温区超过一个 FSR 后会出现周期模糊，且谐振峰窄，对激光线宽和锁定电路要求高。线性度在单峰跟踪范围内很好，但跨 FSR 后必须做阶次判定。
布拉格光栅：波长型、线性好，但长度换灵敏度
布拉格光栅通过周期结构反射特定波长，满足 λ_B = 2n_effΛ。温度变化同样改变 n_eff 和热膨胀引起的 Λ 变化，但硅中热光效应占主导。均匀布拉格光栅的反射峰漂移灵敏度与微环同量级，约 60～80 pm/K，但它的输出是反射谱，需要环形器或定向耦合器分离入射与反射光。布拉格光栅的线性度通常优于微环，因为它在整个工作波段内只有一个主反射峰，不存在 FSR 周期模糊；代价是长度较长，典型 10～20 μm 周期、数百个周期，器件长度可达 200～500 μm，占用面积明显大于微环。若用相移布拉格光栅，可在透射谱中产生极窄陷波，提高波长分辨率，但工艺步骤增加。
马赫-曾德尔干涉仪：强度读出方便，但需偏置控制
MZI温度探针利用两臂相位差随温度变化。相位差为 Δφ = 2π/λ · (n_eff1L1 − n_eff2L2)。若两臂材料或包层不同，温度变化引起有效折射率差变化，输出强度按余弦变化。典型硅波导 MZI 的相位灵敏度约 0.1～0.2 rad/K，对应强度变化在正交偏置点附近约 0.5～2 %/K。MZI的优点是输出可直接用片上光电探测器读强度，不需要光谱仪或可调激光；缺点是余弦响应本身非线性，必须把工作点锁在正交偏置附近，否则灵敏度随温度剧烈变化。臂长差通常 50～200 μm，加上耦合器和探测器，面积约 100×50 μm²。线性度依赖偏置控制，若只做开环测温，满量程非线性误差可能超过 10%。
定向耦合器与多模干涉器：耦合型温度探针
定向耦合器和多模干涉器本身不是独立谐振器，而是利用耦合区或干涉区相位随温度变化，把温度转成两输出端分光比变化。定向耦合器在弱耦合近似下，交叉端功率为 P_cross = sin²(κL)，其中 κ 随温度变化。若设计在 κL = π/4 附近，温度引起的分光比变化约 0.3～1 %/K，灵敏度低于微环和布拉格光栅，但结构极短，耦合区长 10～30 μm，面积可小于 20×10 μm²。MMI温度探针利用多模区相位差，典型 2×2 MMI 长度 20～50 μm，温度灵敏度约 0.2～0.8 %/K，线性度较好，但消光比和制造容差对温度读出影响较大。两者都适合做“温度粗测”或热光调谐监测，不适合直接做高分辨率绝对温度计。
选型判断：先看读出方式，再看温区与面积
如果系统已经具备可调激光和波长锁定，微环和布拉格光栅是首选：前者面积最小，适合密集布点；后者线性度好、无周期模糊，适合绝对温度测量。若系统只能用片上光电探测器读强度，MZI、定向耦合器和MMI更合适，但必须接受灵敏度较低和偏置控制。MZI在正交偏置下可做到 0.1 K 级分辨率，但需要闭环偏置；定向耦合器和MMI更适合做温度趋势监测或热光调谐反馈，而不是高精度绝对测温。
实际选型时建议按以下顺序判断：第一，读出资源是光谱仪、可调激光还是固定激光加探测器；第二，目标温区是否超过一个FSR，若超过则优先布拉格光栅或MZI；第三，面积预算是否允许 200 μm 以上长度，若不允许则优先微环或定向耦合器；第四，是否需要绝对温度，若需要则必须解决阶次判定或参考温度校准。一个常见的折中方案是：用微环做高灵敏局部测温，用布拉格光栅做绝对参考，两者在同一PIC上交叉标定，既保留小面积高分辨率，又消除周期模糊。
线性度与面积的实际权衡
线性度方面，布拉格光栅和MMI通常最好，微环在单峰内很好但跨峰后失效，MZI最差且依赖偏置。面积方面，定向耦合器最小，微环次之，MMI居中，MZI和布拉格光栅较大。灵敏度方面，微环和布拉格光栅最高，MZI中等，定向耦合器和MMI最低。若把“灵敏度×线性度/面积”作为粗略优值，微环在短温区、有波长读出时占优；布拉格光栅在宽温区、需绝对温度时占优；MZI在只有强度读出且能接受偏置控制时占优；定向耦合器和MMI则适合作为辅助温度监测点，而不是主温度探针。
最后需要强调，温度探针的选型不能只看器件本身。波导侧壁粗糙度、包层应力、金属加热器距离、衬底热阻都会改变实际灵敏度和响应时间。例如微环若紧邻金属加热器，热串扰会引入额外相位噪声；布拉格光栅若刻蚀深度不足，反射峰变宽，波长分辨率下降。因此，在完成结构初选后，应把候选结构放入同一热场中做对比测试，用同一温度参考测出各自的 dλ/dT 或 dP/dT、非线性误差和 10%～90% 响应时间，再结合版图面积做最终决策。