光子传感技术涵盖了成熟度迥异的多类技术。光纤传感系统已在基础设施、能源、交通和工业监测中广泛部署，而许多集成生物传感器以及等离激元（plasmonic）、超表面（metasurface）和可穿戴平台仍处于实验室或早期转化阶段。本综述批判性地审视了促使部分光子传感技术实现持续部署、同时制约其他技术发展的关键因素。实际性能不仅从光学换能器角度考量，还通过分子识别、样本组成、环境交叉敏感性、制造变异性、光学解调、微流控、封装、校准、电子学及数据处理等方面加以评估。已成熟、过渡性和新兴平台在医疗健康、环境监测、工业过程控制、结构监测和安全应用中被进行了比较性评估。实际就绪性通过分析有效性、选择性、可重复性、稳定性、动态范围、响应时间、可制造性、可用性及系统总价值加以评价。本文提出了一种应用驱动框架，在该框架中，传感架构、识别化学、样本处理、解调、封装和验证根据预期运行环境进行协同设计。分析表明，成功部署取决于稳健的系统集成、可重复的制造、针对特定应用的验证以及明确的实际优势，而非仅凭创纪录的灵敏度或标称检测限。因此，未来的评估应使用代表性样本、独立制造的器件、真实运行条件、标准化报告规程，并与既有分析方法进行比较。
1. 引言
光子传感已从光学测量的一个专门分支发展成为一个广泛的技术领域，涵盖医疗健康、环境监测、食品安全、工业过程控制、结构健康监测和安全等领域。通过利用折射率（refractive index）、吸收、发射、散射、相位、偏振或共振条件的变化，光子传感器可将分子、化学、生物和物理扰动转换为可测量的光学信号。其固有优势包括高灵敏度、快速响应、免标记操作、抗电磁干扰、多路复用能力、远程解调以及与小体积平台兼容，使其在传统电气或实验室分析方法不足的应用中尤为具有吸引力。集成光子学、光纤、谐振腔、光子晶体、等离激元结构、超表面、微流控和功能材料的进展进一步扩展了可检测分析物和运行环境的范围。然而，这些技术并非处于同一发展阶段。光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating）、干涉式及分布式光纤传感器已在基础设施、能源、交通和工业监测中实现商业化部署；相反，许多集成生物传感器、超表面器件和可穿戴光子平台仍处于实验室或早期转化阶段。因此，本综述不假设存在通用的实验室到现场路径，而是以成熟技术作为实际基准，审视其他光子传感方法为何未能实现同等程度的部署。
在器件层面，已取得显著进展。高品质因数（quality factor, Q）谐振腔、慢光波导、强受限电磁模式、干涉架构及表面增强光学现象已实现对折射率、分子浓度、应变、温度及其他被测量的极小变化的检测。在许多研究中，性能主要通过灵敏度、品质因数、共振线宽、品质因子（figure of merit, FoM）或检测限（limit of detection, LOD）来描述。这些指标对于表征传感元件的固有响应至关重要，但仅能部分评估其实际价值。在受控实验室条件下具有创纪录灵敏度的传感器，若其响应受温度、制造变异、非特异性吸附、样本异质性、光耦合不稳定、环境污染或信号漂移影响，仍可能不适合实际运行。同样，在优化缓冲液中使用纯化目标物获得的极低检测限，不能直接解释为临床、环境或工业就绪性的证据。
对于新兴和过渡性光子平台，这一区别暴露了器件研究与实际部署之间持续存在的差距。实际传感器不仅仅是响应外部扰动的光子结构，而是一个完整的分析系统，包含目标识别、样本处理、光学激发、信号采集、校准、环境补偿、数据处理、封装和用户交互。每个组成部分都可能影响有效检测限和整体可靠性。例如，在生物传感中，最终响应可能同样受受体亲和力、表面覆盖率、质量传输、生物污染和基质干扰的制约，其影响程度不亚于换能器的光学灵敏度。环境传感器必须在pH、盐度、浊度和污染物组成变化的样本中运行，而工业和结构传感器必须在机械应力、温度循环、辐射、腐蚀或长期暴露下保持校准。因此，从光子传感元件到可部署产品的转变需要在光学、化学、机械、电子和系统级领域进行同步优化。
对最大灵敏度的持续强调也可能掩盖特定应用性能的重要性。实际传感很少需要物理上可实现的最高响应；相反，它需要在相关浓度或测量范围内具有足够的灵敏度，同时具备选择性、准确性、精密度、快速响应、可接受的恢复性和长期稳定性。对于许多应用而言，具有宽动态范围、内部参考、简单读出和可重复制造的适度灵敏传感器，可能比需要精确波长控制和复杂实验室仪器的高灵敏器件更有价值。因此，适当的性能层级由预期用途决定。临床筛查要求代表性患者群体中的诊断灵敏度和特异性；环境监测优先考虑耐久性、低维护和连续运行；工业传感要求可靠性、可追溯性以及与既有控制基础设施的兼容性。仅基于单一器件级指标评估这些系统在科学上是不充分的，可能偏向于展示令人印象深刻的实验室性能但转化潜力有限的方案。
随着集成化、小型化和多功能光子平台接近更高的制造成熟度，这一问题日益重要。硅、氮化硅、磷化铟、聚合物、玻璃和混合材料系统为可扩展的传感器制造提供了互补机会。基于代工厂的制造和工艺设计套件正在降低光子芯片开发的壁垒，而异质集成方面的进展使得光源、探测器、电子学、微流控和功能材料能够集成到日益紧凑的平台中。然而，可扩展制造本身并不能确保实际部署。器件间变异性、封装成本、流控集成、可重复的表面功能化、存储稳定性、校准规程和监管验证往往不如光学传感元件成熟。因此，迈向实际应用的进展需要从孤立的组件优化转向完整测量链的协同工程。
本文从实际运行的角度而非通过传统的器件架构目录来审视光子传感。其核心贡献在于提出一个应用驱动框架，将器件级性能与分析验证、系统集成、现场运行、可扩展制造以及商业或监管要求联系起来。该框架不仅询问如何提高光学灵敏度，还评估所实现的响应在预期运行条件下是否必要、可重复、稳定且可用。如图1所示，成功的转化需要协调考虑光子换能器、识别界面、样本处理、光学解调、封装、校准、数据处理、可制造性和应用级价值。
2. 从光子器件到实际传感系统
2.1 光子传感元件
光子传感元件将物理、化学或生物相互作用转换为光学场的可测量修改。换能机制通常由传感区域复折射率的变化决定。其实部变化会改变有效折射率、传播常数、相位、偏振或共振条件，而虚部变化则影响光学吸收和传播损耗。由此产生的传感器响应不仅取决于外部扰动的幅度，还取决于光学模式与包含目标分析物的区域之间的空间重叠。
折射率传感可涉及整个周围介质的变化或限制在传感器表面分子层内的变化。在谐振器件（包括微环谐振器、微盘、光子晶体腔和耦合谐振器结构）中，有效折射率的变化会改变光学路径长度并产生可测量的共振波长位移。该位移的幅度由与分析物的场相互作用、材料色散和光学模式的限制决定。共振线宽和信号噪声随后决定位移可被解析的精度。在干涉式传感器中，分析物会改变光在传感路径中传播所积累的相位。与未受扰动的参考路径的干涉将该相位差转换为输出强度的可测量变化。马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）、杨氏（Young）、迈克尔逊（Michelson）和双模干涉仪利用该原理检测折射率、分子结合、温度、应变和压力。当传感和参考路径对光源波动或环境变化响应相似时，差分解调还可抑制常见扰动。
基于吸收的传感器检测与分子、振动或电子跃迁相关的波长依赖性光学衰减。根据比尔-朗伯（Beer-Lambert）关系，透射强度取决于分析物浓度、吸收系数和相互作用长度。波导、谐振腔、空芯光纤和慢光结构可增加光与吸收介质之间的有效相互作用。然而，由此产生的增强可能伴随更高的光学损耗、更窄的带宽或对制造缺陷更高的敏感性。
荧光传感依赖于荧光团的光学激发及随后在更长波长处的发射。分析物信息可从荧光强度、发射光谱、寿命或偏振中获得。光子结构可增强激发、控制发射并提高收集效率。然而，光漂白、背景荧光、标记变异和荧光团密度变化可能限制定量准确性。拉曼（Raman）传感则检测与分子振动模式相关的非弹性散射，所得光谱无需传统荧光标记即可提供化学特异性信息。由于自发拉曼散射较弱，实际系统通常采用长光学相互作用长度、共振增强或表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering, SERS）。
这些光学相互作用最终必须转换为可观察信号。波长解调测量共振或光谱特征的位移，相位解调测量光学路径长度的变化，强度解调测量透射、反射、散射或发射光功率的变化。波长和相位测量可提供高分辨率，但通常需要稳定的光源、精确的光谱分析和受控环境条件。强度测量允许更简单和更紧凑的仪器，但更容易受光源功率波动、耦合变化、探测器漂移和传播损耗的影响。因此，换能和解调方法的选择应基于所需分辨率、动态范围、测量速度、运行环境和允许的系统复杂度。
2.2 支撑系统组件
光子传感元件仅构成完整测量链的一个组成部分。实际性能取决于其周围光学、流控、化学、电子和计算子系统的兼容性和稳定性。这些组件引入的噪声、漂移或变异性可能超过目标引起的光学响应，从而决定系统级有效检测限。光学子系统必须提供稳定的激发、高效的耦合和足够精确的信号采集。光源波长、线宽、功率、偏振和时间稳定性必须与所选换能和解调方法匹配。光电探测器噪声、响应度、带宽、线性度和动态范围进一步约束测量精度。光谱分辨测量可能需要可调激光器、探测器阵列或紧凑型光谱仪，而固定波长或基于强度的解调可在与所需分辨率兼容时降低仪器复杂度。光学接口和封装必须保持可重复的耦合，同时限制插入损耗、失准、偏振波动、振动和环境污染。
对于化学和生物传感，样本输送和识别界面决定光学响应是否仍具有分析意义。流控传输、混合、过滤、富集、清洗和废液处理影响分析物回收率、结合动力学、响应时间和可重复性。表面功能化提供分子选择性，但受体密度、取向、可及性、生物活性和非特异性吸附的变化可能引入显著不确定性。温度和其他环境变量也必须被稳定、参考或计算补偿，因为它们影响光学特性、探测器响应和分子相互作用。读出电子学控制光学激发和检测，同时提供信号放大、滤波、数字化、时序和通信。后续处理可能包括基线校正、光谱或相位提取、共振跟踪、校准、漂移补偿、浓度估计和测量质量评估。这些功能应围绕系统级误差预算设计，以识别不确定性如何在完整测量链中传播。
2.3 提出的技术转化路径
从光子传感元件到实际产品的转变可通过图2所示的七阶段框架描述。尽管这些阶段以确定的顺序显示，但开发过程本质上是迭代的。在真实样本验证、现场测试或制造过程中发现的局限性通常要求修改原始器件、表面化学、光学解调方法或封装方法。
第一阶段是在受控条件下演示光子器件。在此层面，通过已知折射率变化或受控的光学、热、机械、化学、生物扰动建立物理换能原理。评估灵敏度、光学损耗、共振线宽、动态范围、噪声和可重复性。该阶段确认器件可检测所选被测量，但不证明应用就绪性。第二阶段是开发功能化传感器件。将选择性识别层或响应材料与光子结构集成，并评估对预期目标的响应。表面覆盖率、结合动力学、选择性、非特异性吸附、再生和储存稳定性成为重要性能参数。需要适当的阴性对照和干扰物以区分特异性目标识别与非特异性光学变化。
第三阶段涉及将传感器件与必要的光学、流控、电子和计算组件集成。组装后的系统应包括光源、探测器、光学接口、样本输送单元、读出电子学、热补偿和数据处理软件。在此阶段，性能必须在系统层面评估，而非从使用单独实验室仪器获得的测量中推断。第四阶段是使用真实样本进行验证。引入临床液体、环境样本、食品基质、工业介质或代表性结构条件，以确定传感器在复杂运行环境中是否保持准确性、选择性和动态范围。应量化基质效应、干扰物、样本变异性、回收率、精密度和假响应。结果还必须与既定参考方法进行比较，以确定分析一致性和实际效益。
第五阶段是在代表预期应用的条件下的现场测试。温度变化、湿度、振动、污染、运输、维护、校准频率和用户变异性成为核心考虑因素。现场评估确定实验室验证期间观察到的性能是否能在受控环境之外的长期运行中保持。第六阶段解决可扩展生产问题。制造良率、尺寸公差、材料均匀性、功能化可重复性、组装、封装、质量控制和单位成本必须在统计上有意义的批次中评估。仅针对最大灵敏度优化的设计可能需要修改，如果它们对正常制造变化过于敏感。最后阶段是商业或临床部署。传感系统必须在准确性、速度、便携性、多路复用、远程操作、安全性或总成本方面展示相对于现有分析或测量技术的明确优势。还必须建立法规遵从性、标准化制造、供应链、维护程序、数据管理和用户培训。临床部署额外要求代表性患者群体和预期临床工作流程中的诊断性能证据。
3. “实际性能”意味着什么？
实际性能是完整传感系统在其预期使用条件下生成准确、可重复和决策相关信息的能力。因此，它是系统级属性，而非光子换能器的固有特性。尽管灵敏度、共振线宽、品质因数和检测限是光学性能的必要描述符，但它们不能独立确立分析有效性或部署就绪性。实际性能还取决于分子识别、样本组成、传输动力学、环境交叉敏感性、校准稳定性、器件间变异性、仪器、制造良率和用户交互。这些因素应使用源自目标应用的预定接受标准进行集体评估。
3.1 代表性样本中的分析性能
灵敏度描述测量输出每单位分析物浓度或物理被测量变化的变化量。对于谐振传感器，通常表示为每折射率单位或分析物浓度的波长位移，而干涉式和基于强度的器件可能报告相位或归一化强度变化。灵敏度本身不能定义测量分辨率，因为最小可检测变化还取决于信号噪声、光谱分辨率、线宽、拟合不确定性、基线稳定性和校准变异性。因此，大的光学响应不一定对应低的系统级检测限。
检测限应代表根据指定统计标准可可靠地区分于空白响应的最小分析物浓度或被测量。它不应仅从仪器分辨率或噪声与理想化校准曲线斜率之比推断。可辩护的检测限需要实验确定的空白分布、足够的独立重复、经过验证的校准模型以及对测量范围低端不确定性的考虑。定量限（limit of quantification, LOQ）同样重要，因为它识别可接受精密度和偏差下可测量的最低浓度。对于许多应用，在临床或操作相关决策阈值附近的可靠定量比在极低浓度下的检测更有价值。
跨光子架构，标准化应协调验证程序，同时保留特定基质的检测限和定量限值。波长、相位和强度响应应通过覆盖完整分析工作流程的基质匹配校准转换为分析物浓度。通用规程应指定使用空白和低浓度样本确定检测限的假阳性和假阴性概率，以及实验验证定量限的预定精密度和偏差限值。验证应包括独立样本制备、器件和测量日，并报告采集带宽、平均时间、漂移校正和重复数。在无分析物基质不可用时，替代物或分析物耗尽样本需证明适用性。直接比较应使用相同分析物、代表性基质和统计标准，同时区分仪器折射率分辨率与检测限的测定级别。
在纯化目标物或受控缓冲液中测量的性能可能在血清、血浆、全血、唾液、尿液、环境水、食品提取物或工业介质中显著恶化。这些基质含有可改变体相折射率、吸收或散射解调光、占据受体位点、污染表面或改变目标传输和结合动力学的物种。pH、离子强度、粘度、浊度和样本组成的变化可进一步改变光学基线和识别层活性。因此，基质匹配校准、加标回收分析、稀释线性以及与既定参考方法的比较是确定分析响应在代表性样本中是否保持有效所必需的。
物理灵敏度还必须与化学或生物选择性区分。光子结构可能对任何改变局部折射率或光学损耗的扰动产生强烈响应，但无法固有地确定该变化的分子来源。目标选择性主要由识别界面引入，包括抗体、适配体、核酸探针、酶、分子印迹聚合物或目标响应材料。其性能取决于受体亲和力、表面密度、取向、可及性、结合动力学和稳定性。高受体载量不一定改善分析性能，因为空间位阻、传输限制和增加的非特异性吸附可能减少可及结合位点的比例。
选择性应使用结构相关物种、丰富基质组分和预期应用中可能出现的其他干扰物进行量化。干扰物应单独测试，并在适当情况下以现实浓度混合测试。阴性对照、参考表面、非结合受体、封闭层和差分测量通道是将特异性识别与体相介质变化和非特异性表面积累分离所必需的。对温度、pH、盐度、湿度、压力和机械应变的交叉敏感性同样应被表征，因为这些变量可能产生与目标诱导信号相当或更大的光学响应。
动态范围必须涵盖与预期决策相关的浓度或被测量区间。具有极低检测限的传感器如果其响应在临床或工业重要范围以下饱和，则可能不适用。相反，宽动态范围如果在决策阈值附近分辨率不足，则价值有限。因此，校准模型应在完整工作范围内验证，包括非线性区域，并报告其残差和不确定性。如图3所示的多路微环测量说明了在临床相关决策区间内评估传感器性能的重要性。在37份单供体血浆样本中，抗血管性血友病因子（von Willebrand factor, VWF）通道和抗凝血因子VIII（factor VIII, FVIII）通道区分了低、正常和高VWF组。相比之下，Gp1b通道、大鼠尾胶原I型通道和人胶原I型通道更能一致地区分低VWF样本与其他组，但在正常和高浓度之间的分离较弱或不显著。这些通道依赖性响应表明，分析性能不能由单一灵敏度或检测限值表示，而必须使用代表性样本、适当的识别化学、重复分布、验证的工作范围和预定决策阈值进行评估。
响应时间应在系统层面定义，而非由光学场的固有速度决定。相关间隔包括样本引入、分析物传输、分子识别、平衡、清洗、光学采集、信号处理和结果生成。对于流通式传感器，测量响应可能受对流、扩散、边界层厚度和结合动力学限制，而非光学解调。所需响应时间取决于应用：紧急诊断和过程控制可能要求数分钟或数秒内出结果，而长期环境和结构监测可能优先考虑稳定性和测量连续性。
3.2 跨器件、时间和运行条件的可靠性
准确性表示测量与公认参考值的接近程度，而精密度描述重复测量之间的离散程度。这些参数应独立评估，因为高精密度可与显著系统偏差共存。准确性应使用认证参考物质、回收实验或与既定分析方法比较进行评估。方法比较研究应检查相关性和一致性，因为高相关系数本身不能排除比例或恒定偏差。
重复性指名义相同条件下的变异，例如使用相同器件、操作员和仪器在短时间内重复测量。中间精密度将评估扩展到同一实验室内跨天、操作员、仪器和环境条件。再现性进一步检查实验室、生产地点或独立制造器件批次之间的一致性。仅展示单个优化传感器上的重复测量可能低估由波导尺寸、耦合间隙、层厚、表面粗糙度、材料特性、功能化密度、微流控组装和光学封装引起的变异性。
因此，性能应针对统计上有意义的独立制造和功能化器件数量报告。仅平均值是不够的；还应提供标准差、变异系数、置信区间、器件良率、故障率和排除标准。分层分析有助于区分测量级、器件级、批次级和操作员级对总变异性的贡献。此类信息对于定义制造公差和确定校准是否可在器件间转移或必须单独执行至关重要。稳定性包括短期基线稳定性、对环境扰动的抵抗性、长期运行稳定性和储存稳定性。即使传感元件保持不变，光源功率波动、偏振变化、探测器噪声、波长参考漂移、耦合不稳定和电子偏移也可能影响读数。谐振和干涉器件对温度特别敏感，因为热光效应和热膨胀效应会改变有效光学路径长度。样本折射率随温度的变化可引入额外的基质依赖性贡献。
功能化传感器可能经历受体变性、水解、氧化、解吸、表面重组和渐进性生物污染。重复再生也可能降低受体活性或改变底层表面。因此，稳定性研究应检查基线和灵敏度、选择性、校准斜率、噪声和回收率在预期储存和运行期间的变化。保质期声明应由在定义储存条件下使用独立制备器件进行的测量支持。漂移应量化为空白或参考响应随时间的变化，并与随机噪声区分。内部参考、差分通道、集成温度传感器、波长标准、比率测量和共模抑制可减少系统性扰动。然而，参考通道必须谨慎设计，因为它们应在不响应目标的情况下再现环境和非特异性效应。匹配不当的参考可能引入而非消除测量偏差。
校准建立传感器输出与被测量之间的关系。其有效性取决于校准材料、基质、环境条件、仪器配置、器件批次和所选数学模型。器件间校准转移需要单位间变异保持在可接受范围内的证据。否则，单独校准可能增加成本和操作复杂性。自动化基线校正或机器学习模型可补偿可预测的非线性和多维干扰，但应使用独立、代表性数据集进行训练和验证。计算校正不能替代稳定仪器、受控表面化学或可追溯参考测量。
3.3 实用性、可用性和系统总价值
可部署传感器必须与执行测量的完整工作流程兼容。相关要求包括样本体积、样本制备、测量时间、便携性、能耗、维护、校准频率、废物管理、操作员能力和生物安全。输出应转换为可解释的数量、阈值决策、警报或分类，并附有适当的质量指标。原始光谱变化对于非专业用户很少足够。因此，可用性应通过代表性用户的端到端操作评估，而非仅从器件开发者进行的实验推断。
封装通常主导实际光子传感器的复杂性和成本。稳定光学耦合、流控密封、热管理、电气连接、机械保护和传感区域暴露必须同时实现。Adamopoulos等人提供了实验示例，将多层微流控与单片电子-光子生物传感器集成。如图4a所示，选择性背面去除硅衬底将光子传感区域暴露于流控样本。图4b中的完整架构同时容纳光纤接入、流体输送、倒装芯片电气耦合和玻璃支撑的机械稳定化。垂直互连微流控层的使用还使传感器表面的密集微尺度通道能够与更大的外部管路接口，从而解决毫米级光子芯片与宏观样本处理组件之间的尺寸不匹配。
实际价值必须在完整测量工作流程中评估，而非仅从光子芯片本身。分析应包括光学仪器、样本制备、试剂、一次性组件、校准、质量控制、操作员时间、维护、数据管理、废物处理以及无效或重复测量的成本。这些贡献应与测量准确性、结果时间、便携性、运行寿命以及不正确或延迟决策的后果一起考虑。低成本传感元件不一定产生经济系统，如果它依赖昂贵的解调设备、频繁重新校准、专家操作或劳动密集型样本处理。最终，实际性能是特定于应用的。当完整传感系统在相关范围内提供足够分析能力、跨器件和运行条件保持可追溯性能、适配预期工作流程并提供相对于既定方法的可测量优势时，即实现实际性能。因此，平衡且可重复的系统比在理想条件下展示创纪录灵敏度的孤立器件更有价值。
4. 具有转化潜力的光子平台
光子传感平台可根据其换能架构、光-物质相互作用或实现形式分类，尽管这些类别常重叠。平台选择应优先考虑特定应用的分析性能、可重复性、稳定性、可负担性和部署稳健性，而非仅凭固有灵敏度。
4.1 集成谐振传感器
集成谐振传感器包括微环和微盘谐振器、光子晶体腔、谐振萨格纳克（Sagnac）环结构和耦合腔配置。其运行依赖于有效折射率、吸收、温度、应变或表面负载变化对光学共振的扰动。重复光学循环或强场局域化增加了与被测量物的有效相互作用，允许紧凑的传感区域和多个功能化通道的密集集成。因此，谐振阵列对于多路生化检测、多变量物理传感和需要小芯片占位的系统具有吸引力。谐振器的实际性能不由品质因数或体灵敏度单独决定。可检测的共振位移还取决于光功率、共振对比度、线宽、光谱噪声、拟合不确定性、热漂移和耦合条件稳定性。高Q腔可能改善光谱分辨率，但也更容易受制造无序、表面污染、温度波动和共振失谐影响。波导宽度、腔尺寸、材料折射率、侧壁粗糙度和耦合间隙的变化可跨晶圆或制造批次修改共振波长、消光比和负载品质因数。因此，实际实现需要稳健的耦合条件、参考谐振器、温度补偿、自动化共振跟踪以及考虑器件间变异性的校准程序。
对于高产量制造，使用附近参考谐振器的差分读出特别有吸引力，因为它不需要额外材料平台，可共享传感谐振器的制造和解调基础设施。补偿应使用单独校准的热灵敏度，因为包层或功能化差异可能阻止完全漂移消除。完全包覆的参考主要跟踪芯片温度，而具有非结合表面处理的流体暴露参考也可捕获温度依赖性样本效应。在代工厂工艺支持的情况下，局部二极管测温提供补充温度测量，用于数值校正或集成加热器反馈。主动稳定化增加功耗和热串扰，而补偿无热涂层引入额外处理和可靠性要求。因此，校准差分参考为限制制造复杂性提供了实用起点，根据所需测量不确定性添加电测温或加热。
4.2 干涉式传感器
马赫-曾德尔、杨氏、迈克尔逊、双模和常规萨格纳克干涉仪将被测量物引起的有效折射率或光学路径长度变化转换为差分相位响应。与谐振器件不同，其灵敏度可通过延长相互作用长度提高，而不必依赖超窄光谱特征。参考路径、参考模式或反向传播波的可用性也有利于共模抑制以及光源波动、体相介质变化和环境扰动的差分补偿。这种架构灵活性对免标记生化传感以及温度、压力、应变、位移、声场和旋转测量有利。
然而，增加光学路径长度也会扩大占位并可能增加传播损耗、相位噪声和对结构非均匀性的敏感性。干涉输出可能受偏振波动、不完美功率分配、路径不平衡和温度诱导相位漂移影响。在大累积相移下，周期性传递函数还可能引入相位模糊。可靠实现因此需要稳定分束和合束、有效参考、相位解包或正交读出方法，以及保持光学路径稳定性的封装。对于长期漂移控制，基于硬件的共模抑制应提供主要保障，软件校正残余差分漂移。该方法要求匹配传感和参考路径的环境响应，而非仅其几何形状。软件校正应使用参考信号和独立测量的环境变量，因为单独处理传感信号可能无意中移除缓慢变化的分析物响应。因此，数据辅助模型应在依赖其进行长期补偿前，跨独立器件和扩展运行周期进行验证。
4.3 波导工程化传感器
波导工程通过增加暴露于分析物的光学模式比例、修改群速度或允许样本渗透导波结构来增强传感。槽波导（slot waveguide）将电场集中在低折射率纳米级间隙中，而亚波长光栅波导（subwavelength-grating waveguide）使用深度亚波长周期性来定制模态限制、各向异性和倏逝场穿透。慢光结构通过色散工程增加每单位传播长度的相互作用，而多孔波导提供大内表面和与渗透物种的体积相互作用。这些方法可显著增强光-物质相互作用，而无需成比例增加器件占位。图6a-e展示了这些概念的实验实现，呈现了采用脊形、槽形、光子晶体和亚波长光栅波导几何结构的已制造氮化硅（SiN）谐振腔传感器的扫描电子显微镜（SEM）图像。图像显示了这些几何结构在结构复杂性上的显著差异，包括槽波导的窄低折射率间隙以及光子晶体和亚波长光栅结构精确图案化的周期性特征。其成功制造证明多种模式工程策略可在共同材料平台上实现，同时也强调了保持预期模态限制和谐振响应所需的光刻保真度和尺寸控制。
然而，光学增强通常伴随更严格的制造公差、增加的散射损耗和更苛刻的表面处理。窄槽和纳米级空隙可能难以均匀功能化，并可能捕获气泡、颗粒或生物分子聚集体。慢光结构对无序诱导背散射特别敏感，且可能仅在受限光谱带宽内提供增强。多孔结构可能表现出不完全渗透、慢扩散、滞后和难以再生。因此，其转化可行性必须使用在现实流动条件下制造和功能化的器件进行评估，而非仅从模拟场重叠或群折射率增强推断。
4.4 光纤传感器
光纤平台包括光纤布拉格光栅、法布里-珀罗（Fabry-Pérot）和其他干涉式光纤传感器、基于分布式散射的系统，以及特种光纤，如微结构、多芯、锥形、暴露芯和光子晶体光纤。根据架构，被测量物被编码为波长、相位、强度、偏振、传播损耗或背散射信号的变化。多个光纤传感器可进行波长、时间、频率或空间多路复用，而分布式瑞利（Rayleigh）、拉曼和布里渊（Brillouin）方法可沿扩展光纤连续恢复温度、应变或振动。其主要转化优势是能够在长距离和受强电磁场、高电压、有限接入或爆炸风险影响的位置执行电无源测量。它们特别适用于结构健康监测、能源基础设施、交通系统、岩土安装和工业过程监测。然而，可靠部署取决于光纤本身之外的更多因素。机械附着、应变传递、弯曲、连接器损耗、涂层退化、湿气侵入和粘合层蠕变都可能影响测量响应。温度、应变、压力和周围折射率之间的交叉敏感性也必须通过传感器设计或补偿解决。因此，长期现场验证和安装特定校准是光纤传感器转化的核心。
4.5 等离激元和超表面传感器
等离激元传感器利用金属-电介质界面处的集体自由电子振荡产生强受限电磁场。超表面传感器使用亚波长金属、介电或混合谐振器阵列来工程化光谱、相位、偏振或空间响应。尽管其底层共振机制不同，两种平台均可提供强表面灵敏度、紧凑平面几何结构和高密度阵列用于并行检测。其与光谱、角度、偏振分辨或成像解调的兼容性为多路表面检测和使用紧凑光源和相机的便携式传感系统创造了机会。等离激元限制伴随吸收损耗、共振展宽、局部加热以及金属表面的可能退化或污染。介电超表面可减少吸收损耗并支持窄法诺（Fano）、导模、米氏（Mie）型或准连续体束缚态共振，但高Q响应可能对无序、照明角度、偏振和环境漂移高度敏感。在两种情况下，特征尺寸的纳米级变化可跨阵列产生显著光谱非均匀性。表面稳定性、受体固定、可扩展纳米制造和可重复大面积光学响应因此与标称折射率灵敏度同等重要。这些平台特别有前景用于一次性传感器表面与可重复使用的成像或光谱读取器结合。
4.6 根据应用选择平台
没有单一光子平台可同时最大化灵敏度、选择性、动态范围、稳定性、多路复用密度、空间覆盖、可制造性和可负担性。平台选择应从被测量物及其预期范围、样本的物理化学性质、所需响应时间、环境变异性、测量位置、使用寿命和可接受的仪器成本开始。传感架构应与其识别层、样本输送方法、参考策略、读出硬件、封装和校准程序一起选择。当紧凑性和密集多路复用是优先事项时，集成谐振器具有吸引力，而干涉仪提供灵活相互作用长度和差分相位测量。波导工程化结构在需要增强光学重叠时具有价值，前提是其制造和流控可及性保持可控。光纤
