IEEE SiPhotonics2025 | 超灵敏折射率传感技术

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引言：无标记光学传感技术

光学传感器在实时检测各种分析物方面变得越来越重要。这些传感器通常分为两类：基于标记和无标记。基于标记的传感器需要额外的标记分子，如荧光团（可能会产生不良副作用），而无标记传感器则检测折射率等固有物理特性。这种方法使检测基于样品浓度而非体积，使灵敏度达到十亿分之一(ppb)水平，甚至可能达到飞升升样本体积。

无标记折射率传感在环境监测中发挥关键作用，特别是对于检测水源中的有害物质如病毒病原体。例如，在饮用水分配系统中，马赫-曾德尔干涉仪通过折射率变化测量水质，因为任何溶解物质都会改变水的折射率。这种方法能够持续监测所有化学变化，而无需特定靶向[1]。

图1 - 使用气体混合物折射率传感的光子晶体混合外腔激光器示意图。

折射率传感器的性能由其检测限(DL)决定，表示可检测到的折射率最小变化。传统的硅微环谐振器(MRRs)达到约1×10⁻⁶ RIU（折射率单位）的检测限，对应百万分之一浓度范围。然而，许多应用需要十亿分之一灵敏度来检测痕量污染物，这需要显著提高检测能力。

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混合激光器传感方法

最近的进展导致了通过将光子晶体谐振镜与III-V增益芯片集成而开发的混合外腔激光器。这些器件在暴露于不同周围材料时通过测量激光波长的变化，展示了作为折射率传感器的优秀潜力。

本文描述的突破来自于将氮化硅一维光子晶体腔体与混合外腔激光器和光外差技术相结合。这种创新方法实现了约10⁻⁷ RIU的检测限，比现有高灵敏度器件提高了400倍。

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传感原理与外差技术

外差技术涉及混合两束略有不同频率的激光束。一束作为固定参考（本地振荡器），而另一束作为感兴趣的信号（在本例中为混合激光传感器或HLS）。当这些光束结合时，它们的叠加和干涉在光电探测器的射频带宽内产生拍频信号。

在实验设置中，虽然本地振荡器频率保持由参考可调谐激光器固定，但HLS激光频率随着周围环境中折射率的变化而发生变化。这些变化改变了光子晶体腔体的共振频率，进而修改HLS激光频率，从而影响拍频信号。

外差测量的关键优势在于其能够检测与激光线宽相当的激光波长变化，提供比传统光谱仪和基于无源配置高几个数量级的精度。

图2 - 拍频的示例测量。向包围HLS的气体室内引入CO₂脉冲。

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实验结果

为精确控制HLS的包层折射率，研究人员使用质量流量控制器混合N₂和CO₂气体，折射率范围从1.00029442（100% N₂）到1.00043822（100% CO₂）。HLS被放置在流动室中，并使用内置商用CO₂传感器测量浓度值。

图2显示了向气体室引入100% CO₂脉冲的代表性结果。随着CO₂浓度增加，观察到拍信号的红移，展示了传感器对折射率小变化的高灵敏度。

测量灵敏度为10006 GHz/RI，线宽(FWHM)为1.6MHz，内在检测限确定为1.59×10⁻⁷ RIU。这显著超过了近期文献报道的检测限约为6.86×10⁻⁵ RIU的高灵敏度传感器，提供比单纯无源光子晶体腔体测量高10,000倍的分辨率。

未来发展目标是使用转印等技术将这些激光器集成到单个芯片上，预计通过改进激光线宽和测量稳定性，可能将检测限推至低至10⁻⁹ RIU或更好。