综述：日盲深紫外光电化学探测器：材料、机制与应用

本综述系统探讨了高Q因子光学环形谐振器（High-Q Optical Ring Resonators）在现代光子传感系统中的核心作用，涵盖其基本原理、材料平台、制备工艺、结构设计及应用前景。文章重点分析了Q因子对灵敏度（Sensitivity）、检测限（LoD）和稳定性的影响，介绍了微环（Microrings）、跑道形谐振器（Racetracks）和光子晶体环（Photonic Crystal Rings）等多种结构，并深入讨论了在生物传感、环境监测和单分子检测等领域的应用挑战与发展趋势。

　　

光学环形谐振器凭借其优异的光场局域能力和高灵敏度，已成为集成光子传感系统的核心元件。品质因子（Q因子）作为衡量谐振器性能的关键指标，直接决定了传感器的检测极限和分辨率。本综述从基本原理、材料体系、结构设计、应用场景及现存挑战等方面全面梳理了高Q环形谐振器的最新研究进展。

基本原理与性能指标

环形谐振器通过闭合波导结构中的循环干涉形成谐振，其共振条件满足mλ = n_effL。当外界环境如折射率发生变化时，有效折射率n_eff发生改变，导致共振波长偏移，从而实现传感功能。Q因子定义为Q = λ_res/Δλ，越高代表谐振峰越窄、光子寿命越长，灵敏度也相应提升。此外，灵敏度（S = Δλ/Δn）、检测限（LoD）和品质因子（FOM）是评价传感器性能的核心参数。

材料平台与制备工艺

材料选择对Q因子具有决定性影响。硅基光子（SOI）平台具有高折射率对比度和CMOS兼容性，但存在双光子吸收（TPA）和自由载流子吸收（FCA）等非线性损耗。氮化硅（Si₃N₄）损耗低、透明范围宽，但应力控制是关键挑战。聚合物材料成本低、易加工，却受限于较高光学损耗和环境影响。新兴材料如铌酸锂（LNOI）和氮化铝（AlN）因优异的电光和非线性特性受到关注。制备过程中，表面粗糙度、侧壁损耗和应力匹配是影响Q因子的主要因素，可通过热氧化平滑、氢退火和原子层沉积（ALD）等技术进行优化。

高Q谐振器结构设计

为提升Q因子，研究人员发展了多种谐振器结构。微环谐振器（Microrings）结构紧凑、易于集成，但弯曲损耗随半径减小而增加。跑道形谐振器（Racetracks）通过直波导段增强耦合控制，降低损耗。微环芯谐振器（Microtoroids）通过热回流形成光滑表面，Q因子可达10⁸量级。光子晶体环形谐振器（Photonic Crystal Rings）利用光子带隙抑制辐射损耗，进一步提升光场限制能力。此外，耦合谐振器光波导（CROWs）和Vernier效应结构通过多个谐振器耦合，实现更大的动态范围和更高的灵敏度。

传感应用与性能展示

高Q环形谐振器在生物传感中可实现无标记、实时检测。例如，功能化微环芯谐振器可检测到分子量低至15.5 kDa的蛋白质，接近单分子水平。在环境监测中，结合金属有机框架（MOF）涂层的谐振器对挥发性有机物（VOCs）的检测限可达ppb级别。在物理传感方面，通过监测共振偏移可实现高精度温度（μK级）、压力和应变测量。此外，集成实验室芯片系统（Lab-on-a-Chip）将谐振器与微流控、光谱仪等功能单元整合，为多参数、高通量检测提供了可行路径。

噪声、稳定性与读出技术

高Q谐振器对热漂移、环境波动和激光频率噪声极为敏感。热噪声主要来自材料的热光效应，可通过温控系统或无热化设计（如聚合物包层）进行抑制。激光频率抖动可通过Pound–Drever–Hall（PDH）锁频技术消除。此外，平衡探测、锁相放大和机器学习辅助信号处理等方法可有效提升信噪比和系统稳定性。

现存挑战与未来展望

尽管高Q环形谐振器表现出卓越性能，仍面临制备一致性、封装隔离、阵列集成和成本效益等多重挑战。尤其是热稳定性不足和串扰问题限制了其大规模应用。未来发展趋势包括混合集成（如石墨烯、二硫化钼异质集成）、拓扑光子结构保护、量子增强传感以及人工智能驱动的自适应优化系统。这些创新将推动高Q环形谐振器从实验室走向实际应用，成为生物医学诊断、环境监控和量子信息处理等领域的关键技术。