综述：基于光学微腔的声学传感技术：综述

《Photonics》：Acoustic Sensing Based on Optical Microcavities: A Review

　　

目前，声学传感技术已广泛应用于军事防御、无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）以及生物医学成像等领域，并日益渗透到日常生活的各个方面。然而，传统的压电声学传感器在恶劣环境下工作时极易发生性能退化。相比之下，光学微腔——一类特征尺寸在微米量级的 optical resonant cavities——具有结构紧凑、抗电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）以及超高灵敏度等显著优势。利用这些卓越特性，研究人员基于光学微腔平台对声学传感技术展开了广泛探索。本文综述了基于光学微腔的声学传感研究的最新进展，并按微腔的结构构型进行分类。首先，介绍了不同光学微腔在声学传感中的关键性能规格，如灵敏度和频率响应带宽。其次，分类讨论了各种光学微腔的结构设计以及相应的用于提升传感性能的优化方法。最后，总结了基于光学微腔的声学传感在多个领域的当前应用，并概述了该研究领域未来的发展趋势。

1. 1.
   引言
   声学波（从次声到超声）在工业无损检测、石油勘探、地震预警、医学光声成像以及水下声探测等领域发挥着关键作用。为有效捕获和处理目标声波中包含的物理信息，研究人员开发了多种检测装置和传感器架构。早期的声学传感器主要依赖智能材料的压电效应，将声压转换为电信号进行检测。尽管这些传统压电声学传感器具有成本低、结构简单和重量轻等优点，但它们存在明显缺陷：缺乏耐腐蚀性、抗干扰能力差，且不适用于潮湿环境或强电磁干扰区域。为克服这些操作限制，研究人员将注意力转向光学传感，将光学原理融入传感技术，开创了新一代声学传感器。近年来，光学微腔发展迅速，已广泛应用于工业、生物医学和智能传感领域。光学微腔通常分为法布里-珀罗（FP）腔、回音壁模式（WGM）腔、光子晶体（PhC）腔、分布式反馈（Distributed Feedback, DFB）腔、表面等离激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）腔以及芯片基微纳结构等，各自适用于不同的应用场景。通过将光子限制在微米级体积内，光学微腔显著增强了光与物质的相互作用，并大幅提高了内部光场的能量密度。因此，即使微小的扰动或环境变化也会引起腔光学参数的显著偏移。得益于其微型化、强大的抗电磁干扰能力、高灵敏度和宽频率带宽，光学微腔传感器正逐步取代传统压电传感器，用于先进声学检测。由于不同类型的微腔针对捕获特定频率范围的声波进行了优化，它们在实际应用中得到了广泛利用。本文系统综述了基于不同光学微腔构型的声波传感的最新进展。与现有主要聚焦于高频生物医学超声的综述不同，本工作将范围扩展至低频声学传感（<100 kHz）和跨多种腔架构的水下检测。首先研究了光学微腔传感的基本物理原理，并详细说明了微腔系统的核心性能指标。此外，讨论了基于形态的微腔分类以及提高灵敏度的关键策略。具体而言，重点介绍了关键的工程进展，包括稳健的封装拓扑、光电集成以及先进的解调方案（如相位解调和重建算法）。随后，描述了在三大主要领域的实际应用：水下声探测、工业检测和生物医学成像。最后，对光学微腔声学传感的未来发展趋势和关键挑战提出了见解。
2. 2.
   传感物理原理与性能指标
   2.1. 工作原理与换能机制
   基于光学微腔的声学传感器通过将动态声压变化转换为可检测的光学信号调制来工作。尽管存在多种微腔几何结构，但其基础的机械-光学换能机制可大致分为色散耦合和耗散耦合。以色散微腔传感的基础物理为例，考虑光纤法布里-珀罗（F-P）干涉仪。光学腔通常由长度 h 和折射率 n₂（空气折射率为 n₁）形成于光纤端面与柔性反射膜之间。从光纤发射的光在这两个表面反射，在反射光谱中产生尖锐的干涉条纹，由自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）和半高全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）等共振基本原理决定。色散耦合主要跟踪光程长度（Optical Path Length, OPL = n₂h）实部的变化，导致光谱波长偏移（Δλ₀）。在 m 阶光学模式共振条件（mλ₀ = 2n₂h）下，取全微分可得入射声波压力波动（Δp）通过几何形变（Δh）和弹光效应（Δn₂）扰动光学共振波长。与色散耦合不同，耗散传感依赖于声学对腔的虚光程和损耗矩阵的动态调制。令 Y = Q 或 ER 代表品质因数（Q factor, Q）或消光比（Extinction Ratio, ER），其根本上由边界反射率 R 和内部/散射衰减 α 决定，即 Y = Y(R, α)。当暴露于声场时，动态压力波动 Δp 会扰动反射率（ΔR）和衰减（Δα）。应用多元全微分可得到统一的线性化响应方程，其中定义了 Y 的广义声-耗散灵敏度系数。由于偏导数 ?Y/?R 和 ?Y/?α 解析非零，该方程严格证明了声压变化直接成比例地驱动 Q 和 ER 的变化，导致线宽展宽或消光比调制。

2.2. 性能指标

为评估和基准测试光学微腔声学传感器，必须考虑几个关键性能指标，主要是灵敏度、检测带宽（频率响应）和检测极限。灵敏度/响应度（S）表示为单位压力的光波长偏移（Δλ/Δp，单位 m/Pa）、电压响应（ΔV/Δp，单位 V/Pa）或标准声学电压灵敏度级 M_dB = 20 log₁₀(S/S₀)（dB re 1 V/μPa，其中 S₀ = 1 V/μPa）。该参数量化了传感器将声学扰动转换为光学信号的效率。灵敏度主要由传感器的结构配置和机械性能决定，如杨氏模量、残余应力和膜厚度。检测带宽（频率响应）表示传感器能够不失真地测量的最小和最大声频之间的跨度。对于基于膜片的微腔，上限带宽与膜片结构的机械共振频率紧密相关。因此，传感器设计通常涉及在最大化灵敏度和扩展检测带宽之间的权衡。检测极限方面，噪声等效压力（Noise-Equivalent Pressure, NEP，单位 Pa）定义为在指定工作带宽内信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）为 1 时可检测到的最小声压幅度。为独立于测量带宽评估检测能力，采用噪声等效压力密度（Noise-Equivalent Pressure Density, NEPD，单位 Pa/√Hz）。总系统噪声通常包括环境声学背景噪声、热噪声和仪器噪声（如激光频率/强度噪声和光电探测器电子噪声）。为确保高稳定性和检测精度，在解调阶段经常部署先进的信号处理算法和降噪技术以抑制这些噪声分量并最大化系统动态范围。

1. 3.
   不同的光学微腔构型
   用于声学传感的光学微腔可根据其几何架构和光限制机制进行广泛分类，包括 WGM 微腔、FP 腔、DFB 微腔、PhC 微腔、SPP 腔以及其他专门的微/纳米结构。每种构型在灵敏度、带宽、占地面积和制造复杂性方面都有不同的优势和权衡。

3.1. WGM 微腔

在 WGM 微腔中，光波沿着结构周长附近的闭环圆形轨迹传播，在高低折射率界面处被全内反射（Total Internal Reflection, TIR）连续捕获。当往返光程长度等于导波波长的整数倍时，发生相长干涉，产生尖锐的光学共振。凭借其极高的 Q 因子和小的模式体积，WGM 微腔极大地增强了光与物质的相互作用。基于物理几何，WGM 架构主要分为微泡、微球、微盘和微环。其中，微环架构包括光刻制造的平面微环和全光纤集成的环形结构（如微纤维结型谐振器，Microfiber Knot Resonators, MKRs）。

3.1.1. 微泡腔

微泡腔代表了一种高度成熟的平台，由于其超高检测灵敏度和固有的微流控兼容性，被广泛用于声学传感。Tu 等研究人员开发了一种使用封装微泡 WGM 谐振器的灵敏、宽带（10 Hz 至 100 kHz）水下声学传感器，该器件在高 Q 因子和低折射率聚合物包层支持下，在 1 kHz 处实现了 -159.3 dB re 1 V/μPa 的声学灵敏度，NEPD 为 2.2 mPa/√Hz。Frigenti 等研究人员验证了针对微流控通道内等离子体纳米颗粒光声（Photoacoustic, PA）检测的空心谐振器系统。Pan 等研究人员通过将微泡谐振器与数字光学频率梳（Digital Optical Frequency Comb, DOFC）系统配对，开发了先进的超声探测器。

3.1.2. 微球腔

光学微球与微泡具有相似的传感机制，直径通常在 5 μm 至 500 μm 之间，具有高 Q 因子和紧密的模式限制。Meng 等研究人员研究了悬浮振动微纤维与回音壁微腔之间的强耗散声光相互作用，发现声学驱动的耗散响应比传统的色散响应强两个数量级。Li 等研究人员提出了一种名为基于悬臂的语音窃听微谐振器（Cantilever-based Voice-eavesdropping Micro-resonator, CVM）系统的混合悬臂-微球传感器架构，用于语音监测和声学窃听。

3.1.3. 微盘腔

微盘腔是芯片集成的平面结构，由上圆盘和中心亚微米柱组成。Song 等研究人员转向先进的硫系玻璃（Chalcogenide glasses, ChGs）和氮化硅（SiN_x）平台，以克服二氧化硅平台中高杨氏模量导致的刚性限制。

3.1.4. 微环腔

微环腔是微腔超声传感器最重要的分类之一。Zhang 等研究人员开发了通过纳米压印光刻制造的超宽带聚合物光学微环谐振器，实现了高达 350 MHz 的 -3 dB 声学带宽。Li 等研究人员开发了透明的微环谐振器（Microring Resonator, MRR）探测器，并集成到可抛弃式超声传感慢性颅窗（ultrasound-sensing chronic cranial window, usCCW）中。Peternella 等研究人员和 Guo 等研究人员分别展示了在悬浮膜上制造的微环谐振器用于高频（MHz）生物医学超声成像和低频（10 Hz 至 10 kHz）水下声学检测。作为平面微环的光纤集成对应物，MKR 由锥形光纤打结形成。Tu 等研究人员将其推进为具有四个谐振器阵列的柔性智能传感皮肤，通过悬浮膜实现光学-机械双共振结构，实现了 100,000 的超高 Q 因子和 3D 声源定位。

3.2. 法布里-珀罗（FP）腔

FP 腔声学传感器主要通过本征法布里-珀罗干涉仪（Extrinsic Fabry–Perot Interferometer, EFPI）架构实现，通过翻译声压波动直接调制物理腔长。从材料角度看，反射膜通常分为聚合物和金属合金薄膜。Peng 等研究人员引入了 MEMS 制造的氮化硅和金复合腔增强传感器。Ni 等研究人员开发了利用超薄石墨烯膜的 EFPI 传感器。Zuo 等研究人员设计了具有复合铬-铝膜的光纤水听器。此外，Peng 等研究人员介绍了一种无膜的平凹开口腔结构，实现了超高光学精细度。Li 等研究人员开发了具有柔性凹面 PDMS 薄膜膜的 EFPI。Yang 等研究人员利用双光子 3D 微光刻技术直接在金涂覆的光纤尖端打印聚合物 FP 微腔。Guggenheim 等研究人员制造了封装的平凹聚合物微谐振器阵列，与微型光纤尖端探头配对。

3.3. 微/纳米结构亚波长微腔

为实现高度局部化和超灵敏的声学检测，探索了各种微/纳米结构和亚波长导波微腔配置，包括分布式反馈（DFB）架构、光子晶体（PhC）和专门的绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator, SOI）平台设计。Li 等研究人员提出了一种使用侧面抛光光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的柔性紧凑声学传感器架构。Hazan 等研究人员开发了硅光子声学探测器（Silicon-Photonics Acoustic Detector, SPADE），具有局域 π 相移布拉格光栅（π-phase-shifted Bragg grating, π-BG）谐振器。Shnaiderman 等研究人员展示了亚微米硅波导标准具探测器（Submicrometre silicon Waveguide-Etalon Detector, SWED）。Zhu 等研究人员展示了 CMOS 兼容的光子晶体板（Photonic-Crystal Slab, PCS）设计。Wong 等研究人员提出了利用单晶硅膜与光子晶体镜集成的单片低应力架构。Zhou 等研究人员在单模光纤端面上直接集成了表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）腔。

1. 4.
   提高传感性能的方法
   在第 3 节中，全面回顾了基于声致几何形变和弹光效应的各种光学微腔声学传感器。随着微纳光子学的快速发展，出现了多种复杂的技术和方法来进一步提高传感性能，通常分为结构光机械增强和算法降噪/解调优化两类。

4.1. 用于灵敏度增强的光机械技术

光机械声学传感器利用机械和光学共振之间的协同作用。Basiri-Esfahani 等研究人员展示了基于悬浮微辐条结构的光机械共振增强超声传感器。Yang 等研究人员理论研究并实验研究了悬浮微环芯超声传感器的热噪声限制灵敏度。Cao 等研究人员在同一研究小组开发了硅光子平台上具有纳帕级灵敏度的集成光机械超声传感器，该器件具有嵌入高 Q Si₃N₄ 微环谐振器的悬浮 SiO₂ 膜。

4.2. 算法增强与降噪

在实际部署中，基于微腔的声学传感器极易受到内部波动和环境干扰。为应对热漂移引起的信号衰落，广泛使用了主动锁定和稳定环路。Mao 等研究人员将 FP 声学传感器与增强的波长调谐系统集成。Hu 等研究人员将 Pound–Drever–Hall (PDH) 频率锁定技术应用于光学微腔。先进的数学解调算法被用于在恶劣操作条件下精确提取相移。Moradi 等研究人员评估了使用 ATAN-CORDIC 算法优化的相位生成载波（Phase-Generated Carrier, PGC）解调方案。Zhang 等研究人员在具有复合夹层膜的 FP 腔传感器中实施了椭圆拟合差分交叉乘法（Elliptic Fitting Differential Cross-Multiplication, EF-DCM）相位解调方案。Pan 等研究人员将 DOFC 技术与高 Q 光学微泡谐振器结合。

1. 5.
   光学微腔在声学传感中的应用
   光学微腔声学传感器凭借其微型化、宽工作带宽、超高灵敏度和绝对抗电磁干扰能力，已过渡到海洋水声学、工业监测和生物医学工程三个主要领域的实际部署。

5.1. 水听器

海洋覆盖了地球表面约 71%，监测水下声学信号对深海勘探、海洋地质跟踪和海洋生物学研究至关重要。Ni 等研究人员开发了利用 10 nm 厚石墨烯膜的 FP 水听器。Dass 等研究人员设计了利用铝箔镜的 EFPI 水听器。Fu 等研究人员提出了限制灵敏度波动的微加工 EFPI 水听器结构。在 WGM 和其他架构领域，De Freitas 等研究人员率先使用微结谐振器进行低频水下声学检测。Chen 等研究人员将其优化为紧凑型微结水听器。此外，微纤维尖端水听器、单偶极等离激元纳米天线、在线马赫-曾德尔干涉仪（In-line Mach-Zehnder Interferometer, IMZI）水听器和光纤布拉格光栅（FBG）阵列等也被成功应用。

5.2. 工业检测

在无损检测（NDT）、结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）和石油开采中，光学微腔传感器填补了传统压电传感器的技术空白。微/纳米纤维结构已成功用于工业过程测试。FP 声学传感器和 DFB 光纤激光器也被证明在工业环境中有效。微泡腔传感器为地震物理模型成像提供了实验验证。光学微腔还成功应用于高压电力变压器内的局部放电（Partial Discharge, PD）定位。光纤 FP 传感器已被部署用于检测和定位石墨/环氧树脂复合层压板上的高速冲击。

5.3. 生物医学

由于其微型化、宽操作带宽、超高灵敏度和无电气布线，光学微腔广泛用于医学诊断，包括超声和光声成像以及无创治疗监测。Frigenti 等研究人员将微泡谐振器集成到全光学光声检测平台。包装的微球谐振器在光声显微镜（Photoacoustic Microscopy, PAM）中展示了高分辨率 3D 微血管造影和毛囊成像。分子印迹聚合物光学微环谐振器显著提高了轴向成像分辨率。芯片级架构上的光学微机械超声传感器（Optical Micromechanical Ultrasonic Sensors, OMUS）为临床超声成像和高频无损评估提供了基准。FP 腔同样广泛用于生物医学，包括血管内光声内窥镜和全光学动态超声传感器。Guggenheim 等研究人员开发了用于超声传感的平凹聚合物微谐振器。研究人员转向 SOI 平台，展示了高达 230 MHz 的超宽检测带宽，实现了多模态光学和声学共配准成像。

1. 6.
   讨论与展望
   近年来，基于光学微腔的声学传感技术快速发展，但仍存在一些关键性能限制和工程障碍。首先，微纳光学微腔的环境交叉敏感性（尤其是温度引起的漂移）仍是关键挑战。未来研究必须专注于实施稳健的硬件级热管理以及先进的软件级补偿算法。其次，对于 FP 配置，制造复杂性、低反射率限制的 Q 因子和长期共振不稳定性等挑战有待解决。对于光子晶体微腔，结构脆弱性和对准公差是主要瓶颈。WGM 微腔虽然前景广阔，但制造高 Q 晶体或二氧化硅 WGM 谐振器通常涉及手动或低通量方法，未来研究必须优先考虑可扩展的 CMOS 兼容制造工艺。最后，微腔设计中灵敏度与频率带宽之间的内在权衡仍是一个持续挑战，需要探索非膜片换能机制。此外，将这些传感器从受控实验室环境过渡到现场环境需要专门的光电封装，以确保长期机械可靠性和稳定的光纤到芯片耦合。
2. 7.
   结论
   本文系统综述了基于光学微腔的声学传感技术的最新研究进展，按结构和几何构型分类。详细介绍了各种微腔的核心性能指标及其基本物理换能机制。检查了 WGM、FP、DFB、光子晶体和等离子体腔的结构拓扑，重点介绍了用于最大化声-光转换效率的专门优化方法。最后，回顾了这些微腔平台在海洋水声学、工业无损检测和生物医学光声成像三大领域的实际应用。通过解决当前工程挑战（如热漂移、生产可扩展性和封装可靠性），光学微腔声学传感器有望推动下一代智能传感网络的发展。