基于光频梳的单光源级联微环谐振器多路复用读出技术

《Sensors and Actuators A: Physical》：Single-source multiplexed readout of cascaded microring resonators enabled by optical frequency combs

　　

摘要：无标记光学传感器在医疗诊断、环境监测和食品安全等领域发挥着关键作用，这些领域普遍需要同时检测多种分析物，从而推动了对紧凑型多路复用传感平台的需求。集成光子传感器，特别是微环谐振器（microring resonators, MRR），因其高灵敏度、小尺寸以及与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容而成为广泛采用的传感元件。然而，现有的多路复用MRR读出方案通常需要共享或复制光谱带宽、功率或专用硬件等光学资源，导致每通道的信号质量或系统复杂度与总通道数相关联。本研究提出并实验验证了一种基于单个连续波（CW）激光源的电光光频梳（electro-optic optical frequency comb, EO-OFC）作为级联氮化硅（Si?N?）MRR的多路复用读出源的方案。通过将射频（RF）调制频率调谐至两个不同自由光谱范围（free spectral range, FSR）的MRR选定共振峰之间的光谱间距，研究人员实现了对两个传感器的独立并行读出，且无需额外激光源。利用甘油溶液进行的体折射率（refractive index, RI）传感实验表明，双环均达到约10?? RIU量级的检出限（limit of detection, LoD），与单波长基线测量结果相当。该架构可扩展至更大的MRR阵列，同时保持每通道性能不随通道数增加而下降，为紧凑型、可扩展的多路复用集成光子传感提供了一条新路径。

一、研究背景与问题

无标记光学传感器在医疗诊断、环境监测和食品安全等领域至关重要，其核心优势在于无需荧光或酶标即可快速、灵敏地检测目标分析物。许多应用场景要求同时检测多种分析物，这催生了对能够进行并行实时测量的紧凑型多路复用传感平台的迫切需求。基于半导体平台的集成光子传感器，尤其是微环谐振器（MRR），凭借其高灵敏度、小尺寸以及与标准CMOS工艺兼容等优点，已成为最广泛采用的集成传感元件之一。MRR通过检测周围介质折射率变化引起的共振波长漂移来实现传感。

然而，现有MRR传感系统的可扩展性受限于读出方法。传统的波长扫描和固定波长强度监测方法每次只能读出一个共振峰，扩展到多个传感器会显著增加硬件成本。例如，Genalyte Maverick平台采用机械扫描的可调谐外腔激光器和多通道光电探测器阵列来读取128个硅基MRR，但激光器的成本和扫描时间限制了其广泛应用。另一种策略是波分复用，即通过片上布拉格光栅带通滤波器为每个环分配独立的光谱波段，但增加通道数会扩大所需带宽并降低每个通道的时间分辨率。还有一种空间分复用方案，利用固定波长光源配合环内移相器进行局部扫描，但需要为每个通道配备独立的调谐和探测硬件，且分光会降低每个通道的信噪比。总之，现有方法都将每通道的性能或系统复杂度与总通道数直接挂钩。

二、研究目的与创新点

为了克服上述瓶颈，研究人员提出并实验验证了一种全新的MRR多路复用读出架构。其核心思想是利用单个连续波（CW）激光器产生的电光光频梳（EO-OFC）作为多路复用光源。通过精确调谐驱动电光调制器的射频（RF）信号频率，使光频梳的不同梳齿线分别对准级联MRR阵列中不同环的共振波长，从而实现单光源下的并行独立读出。这种架构从根本上解耦了每通道性能与通道数的关联，因为读出所需的波长扫描范围仅由单个共振峰的漂移决定，而非整个阵列的光谱跨度。

三、关键技术方法

1. 1.
   级联MRR芯片设计与制备：采用IPKISS软件设计，在商用代工厂制备于Si?N?光子平台上。芯片包含两个跑道型微环谐振器，耦合至同一总线波导。两环设计有不同往返长度（长环R1为1.725 mm，短环R2为1.5 mm），以产生不同的自由光谱范围（FSR），便于在多路复用读出时区分。光通过片上光栅耦合器与偏振保持光纤阵列耦合，芯片温度由热电控制器稳定。
2. 2.
   电光光频梳（EO-OFC）生成：光源为工作在C波段的CW可调谐外腔激光器。其输出经铌酸锂电光相位调制器（带宽40 GHz）调制，由可调谐RF信号发生器驱动，产生光谱线间距精确可控的EO-OFC。通过公式计算，将RF调制频率设定为35.75 GHz，使载波和一阶边带的间距（0.286 nm）恰好等于选定的两个环共振峰的间距（Δλ_c）。调制后的光信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后注入芯片。
3. 3.
   微流控集成与样品输送：自行制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控通道，层压在光子芯片表面，形成覆盖每个跑道环下部的密封流路，但避开环与总线波导的耦合区。测试溶液通过注射泵以15 μL/min的速率抽吸流过通道，实现稳定且可重复的样品交换。
4. 4.
   数据采集与共振追踪：输出端的可调谐滤波器将对应不同环的梳齿线分离到各自的光电探测器（PD）。通过快速扫描CW激光器（周期40 ms，速率25 Hz），所有梳齿线同步移动。每个光电探测器记录其对应环的透射光谱中的共振谷。通过校准的激光扫描时间-波长映射，将每个扫描周期内最小功率的时间点转换为共振波长，从而实现两个环共振位置的实时更新（~4 Hz）。

四、研究结果

3.1 单光源OFC读出用于多路复用读出

研究人员提出并展示了利用EO-OFC同时读出两个级联MRR的方案。一个CW激光器经EOM调制产生OFC，其线间距由RF驱动频率决定。通过选择RF频率，使不同梳齿线分别对准具有不同FSR的两个环的共振波长。在输出端，可调谐滤波器将各梳齿线分离至独立的光电探测器。通过快速扫描CW激光器，整个梳状光谱同步移动，从而实现对两个环共振波长的独立实时追踪。

3.2 梳齿线对齐与多路复用共振追踪

3.2.1 级联MRR共振扫描：研究人员表征了级联MRR芯片的透射光谱，识别出两个环交错的FSR图案。短环（R2）FSR为848 pm，品质因子（Q-factor）为5.3×10⁴；长环（R1）FSR为757 pm，Q-factor为5.6×10⁴。从光谱中选出三个候选共振对，最终选择间距为0.286 nm的共振对（Δλ_c），因为它既能满足可调谐滤波器的通道隔离要求（>12.5 GHz），又未超出RF调制器的带宽上限（40 GHz）。

3.2.2 EO梳生成与梳齿线间距对齐：根据所选共振对间距，计算出所需的RF调制频率为35.75 GHz。生成的OFC光谱显示，载波对准R1的共振，一阶边带对准R2的共振。两种载波-环的分配方案均被测试且性能相当。

3.2.3 数据采集与共振追踪：通过快速扫描激光器（40 ms周期）和高速数据采集（10 kHz采样率），实现了两个环共振位置的实时追踪（~4 Hz更新率）。通过10秒滑动平均滤波和线性基线校正，降低了噪声和热漂移的影响。

3.3 甘油体折射率传感：灵敏度与检出限

研究人员利用五种浓度的甘油溶液进行了体折射率传感实验。结果显示，随着甘油浓度升高，两个环的共振波长均发生线性红移。最高浓度（0.6%）引起约22 pm（R1）和21 pm（R2）的漂移。通过绘制波长漂移量与折射率变化（ΔRI）的校准曲线，提取了各环在不同梳齿线分配方案下的灵敏度和检出限（LoD）。所有配置下的LoD均在2.15–2.96×10^-5 RIU范围内，表明边带通道虽功率较低，但经EDFA补偿后性能与载波通道相当，证明了方案的鲁棒性。

3.4 与单波长读出性能比较

研究人员将OFC多路复用结果与同一芯片上单个环的单波长基线测量进行了对比。结果表明，OFC多路复用方案的传感性能与单波长方案相当，甚至LoD略优（长环：2.56×10^-5 vs 4.45×10^-5 RIU；短环：2.50×10^-5 vs 4.16×10^-5 RIU）。研究人员指出，这种差异并非源于多路复用方案本身的优势，而是由于两次实验条件不完全相同。关键结论是，OFC方案在不牺牲每通道检出限的前提下，实现了单光源下的并行读出。

3.5 与文献报道的折射率传感器比较

研究人员将本工作的体折射率传感性能与文献中类似的集成谐振器进行了比较。本工作获得的灵敏度（26.8–38.5 nm/RIU）处于文献报道的常见范围内，而Q因子（5.3–5.6×10⁴）则处于较高水平。所得LoD（~10^-5 RIU）与已报道的多路复用微环平台相当。本工作的独特之处在于读出架构，它成功地将每通道性能与通道数解耦，这是现有其他多路复用方案（如Iqbal等人的机械扫描激光器方案和Onawa等人的宽带光谱方案）所不具备的优势。

五、讨论与结论

讨论部分总结：本工作的核心贡献在于验证了一种新的读出架构，而非追求极致的谐振器性能。现有的大多数多路复用演示都不可避免地会将光学资源（光谱、功率或硬件）在各通道间共享或复制，导致每通道性能随通道数增加而下降。例如，Iqbal等人和la Grasta等人的方案都需要激光扫描覆盖整个阵列的光谱范围，而Onawa等人的方案则面临增加通道数导致扫描范围增大和时间分辨率降低的问题。相比之下，本方案中每个通道的扫描范围仅由其自身的共振漂移决定（153 pm），不会因通道数增加而扩大。Pan等人虽然也实现了类似的解耦，但其应用目标是快速声学瞬态检测，与本工作针对的缓慢小折射率变化不同。

研究结论翻译：本工作证明，由单个连续波激光器产生的电光光频梳可以作为有效的多路复用读出源，用于读取具有不同自由光谱范围的级联氮化硅微环谐振器。通过调谐射频调制频率以匹配两个环选定共振峰之间的光谱间距，研究人员实现了两个传感通道的独立并行读出，每个通道仅需窄带局部波长扫描，而无需对整个谐振器阵列进行宽范围扫描。甘油体折射率传感实验证实，基于OFC的多路复用读出保留了谐振器的传感性能，两个环的灵敏度范围为26.8–38.5 nm/RIU，检出限约为10^-5 RIU量级。载波和边带通道分配的互换性提供了灵活性，证实无论梳齿线如何分配，多路复用架构都不会损害检测能力。目前的演示仅限于两个传感通道。扩展到更大阵列是可能的，但需要满足特定要求：对于N≥3的情况，单一的RF调谐无法同时满足所有共振间距，需要通过制造公差或片上微加热器等手段进行修正。此外，更高阶边带的功率衰减问题可通过级联强度与相位调制生成平坦梳来解决。将OFC生成和解复用组件集成到光子集成电路上将显著减小系统体积。最后，对Si?N₄ MRR进行表面功能化可实现特异性分子检测，将本工作展示的体折射率传感能力拓展至靶向生物传感、环境监测和食品安全等应用。