综述：超越检测极限：高Q值光学环形谐振腔传感器综述

本综述系统回顾了高Q值光学环形谐振腔传感器的最新进展，重点探讨了其基本原理、材料平台（如SOI、Si3N4）、微环/跑道形谐振腔设计及在生物传感（如单分子检测）、环境监测等领域的应用。文章深入分析了Q因子优化策略、噪声抑制技术及规模化集成的挑战，为下一代高灵敏度光子传感器的发展提供了重要参考。

　　

高Q光学环形谐振腔传感器：原理与应用前沿

1. 引言

光学环形谐振腔通过闭合波导结构实现光场局域与共振增强，其品质因子（Q因子）直接决定传感器的检测极限与灵敏度。近年来，随着微纳加工技术的进步，Q因子已达10⁶–10⁹量级，为单分子检测和痕量分析开辟了新途径。

2. 基本原理与性能指标

环形谐振腔的共振条件满足公式mλ = n_effL，其中环境折射率变化Δn会引起共振波长漂移Δλ。关键性能参数包括灵敏度S = Δλ/Δn、检测极限（LoD）和品质因子Q = λ_res/Δλ。高Q值对应窄线宽和长光子寿命，显著提升检测分辨率。

3. 材料与加工技术

• •
  硅基平台（SOI）：CMOS兼容性强，但受双光子吸收（TPA）和侧壁粗糙度限制，Q值约10⁶。
• •
  氮化硅（Si₃N₄）：低损耗、无TPA，通过退火和应力控制可实现Q>10⁷。
• •
  聚合物：成本低、生物相容性好，但光学损耗较高，适用于一次性传感芯片。
• •
  铌酸锂（LNOI）：电光效应显著，通过化学机械抛光实现Q≈10⁸。
  加工挑战包括侧壁粗糙度控制（原子层刻蚀技术）、薄膜应力管理（图案化沉积）和封装诱导的热漂移（应力缓冲层设计）。

4. 谐振腔架构创新

• •
  微环与跑道形谐振腔：通过绝热耦合和多模波导设计降低弯曲损耗，Si基微环Q值达2×10⁶。
• •
  光子晶体环形腔：利用带隙效应抑制辐射损耗，但加工复杂度较高。
• •
  耦合谐振腔波导（CROW）：通过多个谐振腔串联增强光-物质相互作用，适用于多路复用传感。
• •
  Vernier效应结构：通过双环共振频率差实现灵敏度倍增，折射率灵敏度达3000 nm/RIU。

5. 传感应用

• •
  生物传感：无标记检测蛋白质、核酸（检测限低至pg/mm²），微环阵列可实现多靶点同步监测。
• •
  环境监测：金属有机框架（MOF）涂层提升挥发性有机物（VOC）检测灵敏度1000倍，检测限达29–99 ppb。
• •
  物理参数传感：温度灵敏度80 μK，压力传感相位灵敏度19 μrad/Pa。
• •
  芯片实验室系统：集成微流控与光谱仪，实现折射率检测限0.042 RIU。

6. 噪声与稳定性

主要噪声源包括热漂移（Si材料：100 pm/°C）、激光频率抖动和耦合波动。抑制策略：

• •
  主动稳频：Pound-Drever-Hall（PDH）锁频技术将激光线宽压缩至亚kHz。
• •
  热补偿：聚合物包层或异质集成抵消热光效应。
• •
  信号处理：机器学习算法解析复杂光谱，多组分浓度预测误差仅0.13–2.28 mg/mL。

7. 挑战与展望

当前局限在于加工一致性、阵列串扰和成本效益平衡。未来方向包括：

• •
  混合集成：与CMOS电子、微流控单元单片集成，提升系统鲁棒性。
• •
  量子增强传感：利用压缩光降低散粒噪声，理论灵敏度提升3倍。
• •
  智能传感：自适应谐振腔通过AI动态优化检测参数，适用于活体监测等场景。

高Q环形谐振腔传感器正逐步从实验室走向实际应用，其在精准医疗、环境安全等领域的潜力亟待进一步挖掘。