高性能光学环形谐振腔传感器：超高品质因子与先进传感应用的融合与突破

本刊推荐研究人员针对高灵敏度光学传感需求，系统综述了高Q值光学环形谐振腔的设计原理、材料平台与制备技术，重点探讨了微环、跑道环及光子晶体环等结构在提升品质因子与传感性能方面的策略，总结了其在生物传感、环境监测等领域的应用潜力与现存挑战，为新一代集成光子传感器的发展提供了重要参考。

　　

在集成光子学和传感技术快速发展的今天，光学环形谐振腔（microring resonator, MRR）因其紧凑的尺寸、高灵敏度以及与芯片级系统集成的兼容性，已成为现代光子传感系统的核心组件。光学谐振腔通过多次内反射或循环将光限制在腔内，形成驻波或共振模式，从而增强光与物质的相互作用，被广泛应用于激光器、滤波器和传感器等领域。其中，回音壁模式（whispering gallery mode, WGM）谐振腔和法布里-珀罗（Fabry–Pérot）腔是操纵光学信号的重要平台。然而，实现高精度传感仍面临诸多挑战，如如何进一步提升器件的品质因子（Q-factor）、如何克服制备过程中的损耗和噪声干扰，以及如何在实际环境中实现稳定、可重复的传感性能。

高品质因子（high-Q）光学环形谐振腔因其极窄的线宽和长光子寿命，能够显著提高传感器的灵敏度和检测极限，特别在生物医学检测、环境监测和物理参数传感等领域展现出巨大潜力。然而，尽管高Q值能带来更高的光谱分辨率和更低的检测限，但也伴随着热漂移、环境噪声和制备复杂性等问题，限制了其在实际应用中的广泛部署。此外，不同材料平台和制备工艺对Q值的影响尚未得到系统总结，各类谐振腔结构的设计与优化策略也亟需深入探讨。因此，全面回顾高Q光学环形谐振腔的最新进展，分析其性能瓶颈并展望未来发展方向，对推动下一代光学传感器的进步具有重要意义。本综述发表于《Materials Today Physics》，系统梳理了高Q光学环形谐振腔的基本原理、材料选择、制备技术、先进结构设计、传感应用及当前挑战，为该领域的科研人员和技术开发者提供了重要参考。

研究人员在开展本综述研究时，主要依据文献调研和系统归纳的方法，涵盖了近年来高Q光学环形谐振腔领域的关键研究成果。通过分析不同材料平台（如硅基光子学、氮化硅、聚合物和混合材料）的光学特性与制备工艺，总结了影响Q值的关键因素，包括材料吸收、散射损耗和侧壁粗糙度等。同时，结合各类谐振腔结构（如微环、跑道环、光子晶体环和耦合谐振腔光波导）的设计原理与性能特点，探讨了其在生物传感、气体检测和物理传感中的应用实例。此外，还评估了噪声控制、热稳定性及信号读出技术的最新进展，并指出了当前制备一致性、封装集成和阵列规模化面临的挑战。

研究结果部分主要包括以下几个方面：

材料平台与制备技术

研究显示，材料选择和制备工艺对谐振腔的Q值具有决定性影响。硅光子平台（如SOI）具有高折射率对比度和CMOS兼容性，但受双光子吸收和自由载流子吸收的限制，Q值通常保持在10^6左右。氮化硅（Si₃N₄）因低传播损耗和宽透明窗口，可实现Q值在10^6–10^7之间，但薄膜应力问题仍需优化。聚合物材料成本低、柔韧性好，但光学损耗较高，Q值普遍较低。新兴材料如铌酸锂（LiNbO₃）和氮化铝（AlN）在电光效应和非线性特性方面表现突出，其中铌酸锂微环谐振腔的Q值可达10^8。制备过程中的表面粗糙度和侧壁损耗是限制Q值的主要因素，通过热氧化平滑、氢退火和优化刻蚀工艺可有效降低散射损耗。

高Q谐振腔结构设计

在谐振腔结构方面，微环、跑道环和光子晶体环等设计各具优势。微环谐振腔结构简单，易于集成，但弯曲损耗随半径减小而增加。跑道环通过直波导耦合段改善模式匹配，提高了耦合效率和Q值。光子晶体环利用周期性折射率变化抑制辐射损耗，可实现高Q值和小模式体积，但制备复杂度较高。此外，耦合谐振腔光波导（CROW）和Vernier效应谐振腔通过多腔耦合和频谱干涉，进一步扩展了自由光谱范围（FSR）和灵敏度。例如，基于Vernier效应的 cascaded ring resonator 在气体传感中灵敏度达3000 nm/RIU，检测限低至8.3×10^?6 RIU。

传感应用

在生物传感领域，高Q谐振腔通过无标记检测方式，实现了对蛋白质、核酸等生物分子的高灵敏度检测。例如，功能化微环谐振腔可检测浓度低于10 pM的牛血清白蛋白（BSA），单分子检测精度达15.5 kDa。在环境监测中，谐振腔传感器用于检测挥发性有机化合物（VOC）和气体浓度，检测限可达29–99 ppb。通过金属有机框架（MOF）涂层增强选择性，传感器灵敏度提升高达1000倍。在物理参数传感方面，谐振腔对温度、压力和应变的测量表现出高精度和快速响应，温度检测分辨率可达80 μK，压力灵敏度为0.78 pm/kPa。

噪声与稳定性控制

噪声和稳定性是影响高Q谐振腔实际应用的关键问题。热漂移、激光频率抖动和耦合波动会导致共振偏移和信号失真。通过频率锁定技术（如Pound-Drever-Hall方法）、温控补偿和差分信号处理，可有效抑制噪声干扰。此外，封装技术和环境隔离设计（如密封封装和应力缓冲层）提高了器件的长期稳定性。

研究结论与讨论部分强调，高Q光学环形谐振腔在提升传感性能方面取得了显著进展，但仍面临制备一致性、环境稳定性和成本效益等挑战。未来研究应聚焦于混合集成、拓扑光子学和机器学习辅助设计等方向，以推动谐振腔传感器在实时诊断、环境监测和量子传感等领域的实际应用。通过优化材料体系、创新结构设计和智能化信号处理，高Q谐振腔有望成为下一代高性能集成光子传感器的核心组件。