面向下一代波导传感器的功能光子材料：非线性、原子级薄层与压电平台综述

《IEEE Sensors Journal》：Functional Photonic Materials for Next-Generation Waveguide Sensors: Nonlinear, Atomically Thin, and Piezoelectric Platforms: A Review

　　

集成光学波导传感器(IOWSs)正在经历一场由功能光子材料涌现所驱动的根本性变革，这些材料将传感能力扩展到被动倏逝场微扰之外。本综述考察了三种主要材料平台，即硫系玻璃、原子级薄层二维(2-D)材料和铁电薄膜，它们通过非线性光学响应、表面主导的光-物质相互作用以及电光或压电耦合实现新的物理换能机制。通过采用机制驱动的视角，本综述系统地将材料特性与传感性能指标联系起来，阐明不同平台如何在可见光、电信及中红外波长范围内应对化学、生物、机械和电学被测量。基于硫系玻璃的波导提供强χ³非线性和宽带中红外透明性，用于化学选择性传感，而二维材料通过电可调响应将检测推向终极表面极限。铁电薄膜波导通过快速线性的χ²介导换能实现有源低噪声传感。本综述进一步强调新兴的混合与共集成架构，这些架构将波导传输、换能和选择性解耦，以克服单一材料的局限性。通过将多样化的平台统一在共同的物理框架内，本工作为下一代集成波导传感器提供了实用的设计指导，并指出了可扩展、多功能传感系统的关键挑战与机遇。

**研究背景**

集成光学波导传感器(IOWSs)因紧凑尺寸、高灵敏度及与大规模集成工艺的兼容性，已成为现代光子传感的核心技术。以绝缘体上硅(SOI)、氮化硅(Si₃N₄)和二氧化硅(SiO₂)为代表的硅基平台虽技术成熟，但存在根本性局限：光-物质相互作用主要依赖倏逝场重叠和线性折射率变化，限制了可探测现象范围和灵敏度上限；硅基材料在约7–8 μm以上出现显著材料吸收，而众多分子的指纹振动吸收位于6–12 μm波段，制约了中红外化学选择性传感。临床生化检测要求ng/mL至pg/mL级检测限，传统倏逝场硅光子传感器难以实现。因此，探索具有更强和更多样化相互作用机制的功能光子材料成为必然选择。

**研究概况与结论**

研究人员采用机制驱动的视角，系统考察了硫系玻璃、原子级薄层二维(2-D)材料和铁电薄膜三大功能材料平台，将材料特性与传感性能指标联系起来，阐明不同平台如何通过非线性光学响应、表面主导的光-物质相互作用及电光或压电耦合，应对化学、生物、机械和电学被测量。研究指出，传感器性能主要由主导换能机制而非材料平台本身决定；功能材料与低损耗导波平台的选择性集成是发挥其优势的最有效途径。该工作在《IEEE Sensors Journal》发表，为下一代集成波导传感器提供了概念框架和实用设计指导。

**关键技术方法**

研究人员通过机制驱动的文献综述方法开展研究，未涉及实验样本队列。关键技术路径包括：硫系玻璃波导利用高折射率对比度和强三阶非线性实现中红外倏逝波光谱与共振增强检测；二维材料(石墨烯、过渡金属二硫化物、黑磷)通过机械转移或直接生长集成于波导表面，利用电学调控实现表面极限传感；铁电薄膜(薄膜铌酸锂TFLN、钛酸钡BTO)通过Pockels效应和压电效应实现有源电光调制与声学传感；混合共集成架构将波导传输、换能与选择性功能解耦。

**研究结果**

**第II节 物理换能机制**：建立了三种换能途径的统一物理框架——倏逝场与表面主导换能(以限制因子量化光场与被测环境的重叠程度)、非线性光学换能(经Kerr效应实现强度依赖的折射率调制，增强相位或谐振位移)、电光与压电耦合有源换能(经χ²非线性实现快速线性电光调制)，并提出灵敏度、检测限(LOD)、时间带宽和集成成熟度等统一评价指标，为跨平台比较奠定基础。

**第III节 硫系玻璃波导**：硫系玻璃兼具强χ³非线性和宽中红外透明性。Pan等人利用15单元硫系微环谐振器阵列结合数字光学频率梳(DOFC)实现光声断层成像(PAT)系统，每个传感单元具有175 MHz的?6-dB带宽和2.2 mPa·Hz^?1/2的噪声等效压力，单次采集即可并行解调全部传感单元信号，实现了快速动态目标和活体斑马鱼成像。悬浮波导结构通过去除衬底增强外部限制因子，实现CO₂(4.2 μm)和甲烷(3.29 μm)气体检测。

**第IV节 原子级薄层材料集成波导**：石墨烯经Fermi能级调控实现宽带吸收和电吸收可调性；半导体性二硫化物提供波长选择性吸收和强激子色散；黑磷具有偏振依赖响应和中红外兼容性但易氧化。二维材料集成的主要权衡是原子级灵敏度与附加光学损耗及环境稳定性之间的矛盾。六方氮化硼封装可将黑磷器件寿命从小时级延长至周级并抑制漂移，但会部分限制分析物到达传感界面。

**第V节 铁电薄膜波导**：TFLN具有宽透明窗口(0.35–5 μm)、低光学损耗和高电光系数(r₃₃≈30 pm/V)及二阶非线性系数(d₃₃≈41.7 pm/V)；BTO具有更高Pockels系数(r₄₂>700 pm/V)。分段屏蔽电极LN波导电场传感器实现约600 V/m至139.8 kV/m的检测范围，线性动态范围47.3 dB，在标准1.2/50-μs雷电脉冲下DC至200 kHz内保持±2 dB平坦响应，适用于高压系统非接触电场监测。

**第VI节 跨平台比较**：硫系玻璃最适合中红外光谱及非线性传感；二维材料擅长表面敏感化学与生物检测；铁电薄膜最适于需有源调制和高带宽的电、声、机械传感。材料选择由目标被测量、工作波长和系统级要求共同决定，任何单一平台无法同时优化灵敏度、带宽、稳定性和可扩展性。

**第VII节 混合与共集成架构**：二维材料与TFLN结合实现表面传感与电光控制融合；TFLN与Si₃N₄键合获得低损耗路由与强二阶/三阶非线性复合平台，走向晶圆级可扩展制造；硫系玻璃微环结合LN叉指换能器实现高性能声光调制，适用于多物理量传感。

**第VIII节 设计指南与开放挑战**：设计应以换能物理为主导——折射率/表面结合传感优选倏逝场最大化平台，中红外化学特异性优选硫系玻璃，电/机/声传感优选铁电薄膜。长期稳定性是各平台共同难题：二维材料受环境吸附影响产生漂移和滞后，硫系玻璃存在光致结构变化和表面氧化，铁电薄膜面临畴稳定性与电循环疲劳问题。噪声、漂移和校准成为限制灵敏度的根本因素，有源调制、差分测量和定期重校准可部分缓解。封装需在保护敏感材料与保持被测物可及性之间权衡。

**讨论与结论**

讨论部分强调，灵敏度不能孤立考量，需同时考虑LOD、带宽、稳定性和可扩展性——某一指标的改善常伴随其他指标受限。功能材料不应替代已有平台，而应有选择地集成以发挥独特换能机制，同时保持低损耗导波和系统级稳健性。实验室芯片架构和可扩展制造是实际部署的关键瓶颈。结论指出，功能光子材料代表了集成波导传感从被动倏逝场微扰向工程化换能的范式转变——通过将非线性、界面或机电功能直接嵌入光学模式，这些材料拓展了可测量物理量的范围，使传感架构超越传统被动波导平台的极限。